深厚覆盖层地基防渗设施对渗流影响的有限元分析

黄 欢，雷 龙

(1.陕西国际商贸学院，西安 712046；2.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，西安 710100)



深厚覆盖层地基防渗设施对渗流影响的有限元分析

黄 欢1，雷 龙2

(1.陕西国际商贸学院，西安 712046；2.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，西安 710100)

深厚覆盖层地基是一种复杂性的地基工程，在这种地基上建造水利枢纽工程有着极大的困难。在工程设计时，防渗设计十分关键。与之密切相关的坝体渗流量、应力变形、稳定性、及材料液化等工程问题都是至关重要的。危及工程整体安全各项因素诸多，其中渗流破坏导致的渗透变形是主要破坏之一。文章在对已建的诸多深厚覆盖层地基上的工程实例为基础，分析在此种地基上修建大坝的防渗措施的控制设计，根据工程地质条件，坝体填筑材料选取合适的本构模型，并开发出适宜的计算渗流场的数值仿真程序，将所得有限元计算应用到某一工程实例，据现有资料和计算成果的比较验证程序的合理性。所得出的结论能给此类工程的设计施工有一定的指导价值。

覆盖层；地基防渗；设施；渗流；有限元分析

0 前 言

深厚覆盖层是指成形于河谷内的松散沉积物，一般情况下厚度>30m。在中国，此种地质特征为：岩层之间不连续，物理结构简单，成因类型复杂。岩体性质在横纵两向上变化较大，因为其结构松散导致力学性质出现不稳定性和不均匀性。因此，从地质条件出发定义这种地基成因复杂且地质条件差[1]。对工程的安全稳定造成了很多隐患，同时在这种不良地基条件上筑坝也是极其困难的。这种地基主要分布在中国西南部，目前在建和已建的大坝很多，许多工程经验都可以借鉴。在坝工设计中，对坝体渗流量、应力变形、稳定性、及材料液化等的考虑显得尤其重要。现目前，理论水平也趋于完善，但仅限于建在浅透水地基上修建大坝，相关的防渗体系构建和渗流控制原理都很成熟。但在深厚覆盖层地基上的渗流控制相关问题，方法、技术和措施仍需进一步研究和完善[2]。

1 深厚覆盖层地基渗流场有限元分析

目前对于渗流区域的边界界定还不清晰，在有限元模型构建时划分网格单元时要综合考虑[3]。文章介于研究渗流场的三维有限元分析，故采用六面体等参单元。六面体等参单元特点：边界定义明确，单元网格划分机动，软件计算结果准确性也较高[4]。文章的渗流场计算单元采用八结点正六面体等参单元。

1.1 基本方程及定解条件[5]

在不考虑土体以及水体的压缩性基础上，符合达西定律的三维稳定渗流问题的定解方程为：

(1)

式中：h为水头函数；kx、ky、kz为三相渗透系数。

土体的稳定性渗流基本方程为：

h(x,y,z)|Γ1=f(x,y,z)

(2)

(3)

式中：f(x，y，z)为水头函数；Γ1、Γ2为水头边界值和流量的边界值；q为单位面积的流量。

1.2 单元剖分及插值函数

本单元基函数为：

(i=1，2，…，8)

(4)

式中：ξ0=ξiξ、η0=ηiη、ξ0=ξiξ。

单元的水头插值函数可表示为：

(5)

式中：hi为实际单元中结点ki上的水头值。

1.3 总体渗透矩阵

定义共有结点i的所有单元集合为Di，单元mi个，则累加起来逐个计算，方程表示为：

(6)

矩阵表示为：

(7)

由于水头hn+1，…，hN为明确数值。因此，将等式左边移动到右端，表示为{F}，{F}=[F1,F2,…,Fn]T，表示为自由项的列向量，矩阵[K]表示移动到等式左端，它是n阶对称正定矩阵，则有

[K]{h}={F}

(8)

式中：h为未知水头值构成的列向量；。

上式是h1，h2，…，hn的线性代数方程组。对此方程组进行求解能够得出文中假设的渗流场。结果中以结点方程来表示。

2 工程实例

2.1 工程概况

某水利枢纽工程选址于塔里木河干流上，主要是防洪、灌溉，兼具发电工程效应的水利枢纽工程[6]。该工程水库总库容为8.67亿m3，调节库容6.93亿m3，水库正常蓄水位2960m，死水位2915m，设计洪水位2963.2m，校核洪水位2964.6m。电站装机总容量150MW，多年平均发电量4.65亿KW·h。该大坝为Ⅱ等大(2)型工程，工程规模主要由大坝、发电厂房、导流洞、引水发电洞组成[7]。坝址区工程地质剖面图见图1。

2.2 有限元模型

计算模型沿上、下游坝踵各取150m，竖直方向取200m，在坝体的纵断面沿轴线方向取25m长。模型详细模拟了坝体的各分区和材料分区，沥青混凝土心墙、过渡层、坝壳料、反滤层和下游水平铺盖及排水棱体[8]；坝基通过各分区细致模拟了混凝土防渗墙和深厚覆盖层地层的各地质概况。

为更详细全面的保持较好的单元形态，网格划分时将沥青混凝土心墙、过渡区及混凝土防渗墙的的单元网格进行加密处理。该模型共剖分单元2230个，结点3579个。数值仿真模型的网格剖分图见图2。

图1 坝址区地质剖面

图2 有限元网格剖分图

2.3 计算结果

文章计算(4)中不同深度的混凝土防渗墙80、100、120、140时的坝体的渗流等值线分布如图3-6所示，图7计算并绘制了心墙下游的浸润线变化随防渗墙深度的变化关系，图8绘制了单宽渗流量随混凝土防渗墙深度的变化关系，表1总结了该工况下的渗流场中的各渗流要素随防渗墙深度的变化情况。

图3 防渗深度80m的渗流场等值线图

图4 防渗深度100m渗流场等值线图

图5 防渗深度120m渗流场等值线图

图6 防渗深度为140m渗流场等值线图

图7 浸润线变化随防渗深度的曲线变化图

图8 单宽渗流量与防渗深度的曲线变化图

垂直防渗深度/m心墙下游浸润线高度/m单宽渗流量/m3·(d·m)-1垂直防渗底端局部范围土体最大水力坡降下游坡脚最大水力坡降80214.91464.830.430.20100212.88391.000.490.18120211.45325.190.570.16140209.96224.101.000.13150202.158.72—0.03

从图3-7及表1可以看出：

1)在混凝土防渗墙深度设置未达到相对不透水层时，防渗深度的不断增加，心墙下游浸润线逐渐降低，防渗深度80对应的的214.75m逐渐降低到防渗深度为140对应的209.75m，通过计算可以看出，防渗深度每增加10m，心墙下游平均浸润线高度下降0.83m。当凝土防渗墙深度嵌入相对不透水层后，心墙下游浸润线的高度的变化明显减小，这可得出在此深度的混凝土防渗墙基本截止了渗透变形的影响。

2)在混凝土防渗墙未达到相对不透水层时，单宽渗漏量和垂直防渗深度呈线性反比关系，在此期间渗漏量的变化的幅度局限。当混凝土防渗墙达到相对不透水层后，渗漏量出现明显的下跌，此时数值为8.72 m3/(d·m)。通过上述分析得知，防渗体系的构建只有当垂直防渗嵌入相对不透水层时，此时防渗墙的阻隔会带来较好的防渗效果，此方法不适应与渗透量较大的地质条件。

3)混凝土防渗墙深度的不断加大，垂直防渗底端局部的最大水力坡降值亦呈现正比对应关系，在最大水力坡降达到1.0时(深度140)，此计算数值显然大于规范中要求的最大水力坡降；同时，下游坡脚的水力坡降最大值可以看出逐渐减小的，最终降为0.03。这说明在没有完全截断深覆盖层地基时，局部的渗漏破坏还是很有可能发生，尤其是在下游坡脚附近，故最理想的办法是在工程技术条件允许的情况下，尽可能的让混凝土防渗墙完全触及覆盖层底部。

3 结 论

文章主要是应用有限元计算分析建在深覆盖层地基上这种复杂地质条件下的某水利枢纽工程，坝基垂直防渗深度的各种方式对渗流场的影响，进而找到适合本工程的最有利防渗方式。通过分析指出，在技术可行的前提下彻底封闭地层是解决深覆盖层地基渗流问题的最行之有效的办法。假如工程技术复杂，不得不采用悬挂式防渗，此时重点保护垂直防渗底部的土体。严密控制下游的防排和排渗措施，防止发生渗透破坏。文章较系统地阐述了深厚覆盖层基础的防渗处理措施，但对于各种措施的综合应用还将进行下一步的探讨，期望在坝工设计中为实际工程的防渗体系构建，选择合理的防渗和排渗措施提供一定的指导意义。

[1]罗守成．对深厚覆盖层地质问题的认识[J]．水力发电，1995(04)：21-24.

[2]李菊根，史立山．我国水力资源概况[J]．水力发电，2006，32(01)：3-7.

[3]陈海军，任光明，聂德新，等.河谷深厚覆盖层工程地质特性及其评价方法研究[J]．地质灾害与环境保护，1996，7(04)：53．59．

[4]段祥宝，李祖贻．瀑布沟水电站大坝三维渗流数值模拟研究[J]．水电站设计，1997，13(01)：29-38.

[5]王根龙，崔拥军．新疆下坂地水利枢纽坝基垂直防渗试验研究[J]．人民长江，2006，37(06)：59-61.

[6]温续余，徐泽平，邵宇，等．深覆盖层上面板堆石坝的防渗结构形式及其应力变形特性[J]．水利学报，2007，38(02)：211-216.

[7]祁书文.基于有限元法的复杂三维渗流场渗流量计算方法研究[D].南京：河海大学，2007.

[8]毛昶熙.渗流计算分析与控制[M] .北京：中国水利水电出版社，2003：144-149.

Finite Element Analysis for Impact of Impervious Facility of Deep Overburden Layer Foundation on Seepage

HUANG Huan1and LEI Long2

(1.Shanxi International Commercial Business Institute, Xian 712046, China;2.Shanxi Provincial Hanjiang River Diversion to Weihe River Project Construction Limited Company, Xi’an 710100, China)

The foundation of deep overburden layer is a kind of complex foundation project, and it is very difficult to construct the key hydraulic project on this kind of foundation, so the design of seepage protection is very important for the whole project design.The project problems closely with it, including seepage discharge of dam body, stress deformation, stability and material liquidation, are vital important.There are many factors to imperil the whole safety of a project, of which, seepage deformation caused by seepage is one of the major damages.Based on many project cases constructed on deep overburden layers, this paper analyzed the impervious measures control design for dams constructed on this kind of foundations, selected suitable model for filling material of dam body and developed the valuable simulated program suitable for seepage field calculation according to the project geological conditions, the finite element calculation was used in a project case to verify the reasonability of a program in line with existing data and calculated results.The conclusions drawn will provide guiding for design and construction of similar projects.

deep overburden layer; facility against foundation seepage; seepage; influence; finite element analysis

1007-7596(2017)05-0036-04

2017-04-12

黄欢(1988-)，女，黑龙江哈尔滨人，讲师，研究方向为水利水电工程管理；雷龙(1988-)，男，陕西渭南人，工程师，研究方向为水利水电施工技术。

TV223.4

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