时间：2022-10-20 07:58:34
摘要：本文根据拟定的重力坝结构体系和水文地质条件，针对防渗帷幕的布置形式对坝基渗流的影响展开分析。利用Geo-sudio软件中seep模块计算重力坝扬压力，初步研究坝基的渗流分布规律，进一步了解在不同设定工况下的坝体抗滑稳定性，并最终确立合理的角度，创建有利于坝体稳定的有效帷幕形式。
关键字：坝基渗流;角度;防渗帷幕;稳定系数;有限元法
Abstract: This article based on that studied out structural system and hydro-geological conditions of gravity dam, according to the impervious curtain arrangement to analyze impact of the dam foundation seepage. To used the seep module in the Geo-sudio software to calculates the uplift pressure of the gravity dam, preliminary study on the regulation of seepage distribution in the dam foundation, and further learn about the anti-sliding stability of dam under different working conditions, and ultimately to establish a reasonable angle, to create effective form of the curtain that conducive to the dam stable.
Keyword: Foundation seepage Angle Impervious curtain Stability factor Finite element method
中图分类号：TV139.14 文献标志码：A 文章编号：2095-2104（2012）01-0020-02
前言
对于重力坝来说，影响坝体稳定性主要的因素是比较复杂的。常规的理论分析、试验机原型观测结果表明，位于均匀地基上的混凝土重力坝沿坝基面的失稳机理是：首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后在坝趾处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，最后形成滑动通道，导致坝的整体失稳[2]。即长期的坝基渗透导致扬压力过大，使岩基性质恶化，减少坝基渗流则是改善坝基环境最重要的措施之一。坝基防渗的最常用方法是在垂直于水流方向上形成一道有效的渗透性较低的帷幕。本文根据拟定的重力坝资料和地质条件，结合有限元分析原理，采用以软件计算为主、数值分析为辅的综合分析方法，研究防身帷幕对坝基渗流规律的影响和对应工况下的重力坝安全稳定性进行分析，并作出有价值、可行的总结。
1 工程概述
1.1 工程简介
某重力坝建于携软弱夹层的花岗岩地基上，拟定设计坝高为155.0m，坝底宽为44m，上游坝坡为1：0.2，下游坝坡为1：0.791，上游正常蓄水位150.0m，下游水位110.0m，坝顶宽度为6m。假定花岗岩层坝基厚度为分别为20m，其渗流系数为0.6m/d；弱透水花岗岩层有效厚度为10m，其透水系数为0.02m/d。坝基进行封闭式帷幕灌浆处理，帷幕距坝踵5m，厚度为1m，考虑不同性质的花岗岩层并采取相对有利的措施，将垂直防渗帷幕伸进弱透水花岗岩层5m。由于帷幕透水系数非常小，在这里就假定为0m/d。其剖面形式如下图所示：
1.2 工况说明
为了说明防渗帷幕在不同布置形式下对其坝体的稳定性的影响，主要考虑两个方面，每一方面分为五个工况就问题展开研究，具体分析如下：
（一）在垂直帷幕与坝踵相连接点处，帷幕绕此点顺时针旋转60度，帷幕长度随转角的增大而逐渐增长，即始终延伸进不透水层5米处。转角由0度开始以15度为梯度增加至60度，将分为五种不同工况进行分析。
（二）在垂直帷幕与坝踵相连接点处，帷幕绕此点顺时针旋转90度，帷幕在发生旋转时长度保持不变。转角由0度开始以22.5度为梯度增加至90度，将分为五种不同工况进行分析。
2 理论基础
渗流计算是在已知定解条件下解渗流基本方程，以求得渗流场和坝基扬压力分布等渗流要素。而有限单元法是准确解决数值问题非常有效的方法，很方便地处理复杂渗流问题。
2.1 渗流基本方程
对于渗流，假定土体和水体是不可压缩的，则任一时刻流出某单元体的水量与流进该单元体的水量相等，由此可得土体稳定渗流的控制方程：
（1）
式中：H为渗流总水头函数，kx、ky分别为土的渗透系数。式(1)即为渗流问题的拉普拉斯(Laplace)方程。
2.2 有限元基本原理
软件所基于的是稳定渗流的有限单元法计算公式：[K]{h}={F}（2）
式中：[K]总渗透矩阵；{F}是已知常数项，由已知节点水头得出。
3 分析计算
运用Geo-studio软件中基于有限元法的SEEP/W模块，首先设置工作区域，进行合理的有限元网格划分，然后对不同区间定义材料属性并对所属区域和防渗表面赋值，设置结点边界条件，主要是设置水体与地基交界面。最后计算求解，导出可视化的等势线图，提取坝体与地基接触面上有效的扬压力，并分析坝基渗流状态，计算坝体抗滑稳定性。
3.1 分析第一方面
3.1.1 渗流等势线图
随着深度的增加，压力水头就会越大，水体引起的空隙水压力就会越大，所以坝体底部以及防身帷幕处于较小的等势区比较有利。由软件导出的等势线可知，第二种工况下的等势线主要集中在帷幕底部，帷幕上下游垂直面上的大部分上层岩基处在软等势区，只有伸进下层岩基部分是强等势区。第一种次之，其他三种的防身帷幕都处于高空隙水压力下，如果地基发生流土或者管涌时，那么导致帷幕将由于不平衡压力而断裂。最有利典型的等势线图如下：
3.1.2 扬压力分布图
在计算坝体稳定性时，通常情况下是考虑扬压力对坝体底部的作用力大小，这里选取的影响位置也主要坝底部与岩体的接触水平面。由扬压力在X轴方向相对位置上大小可知，影响面都处于弱等势区，其各个工况下的压力分布规律没有太大的变化。其扬压力作用在影响面的示意图如下：
3.2 分析第二方面
3.2.1 渗流等势线图
由软件导出的等势线可知。根据等势线分布规律可以得出第一、二种工况下的帷幕以及坝体底部处于相对有利状态，从第三种开始，帷幕完全处于上层岩基上，帷幕底部和弱透水层形成的流量截面会随着偏角的增大而增大，孔隙水压力会进一步影响坝体及帷幕。最有利典型的等势线图如下：
3.2.2 扬压力分布图
由软件生成的扬压力曲线可知，第一、二中工况下的由于影响面处于弱等势区，其扬压力基本上同第一方面是相似的。从第三种工况开始出现流量截面，并且渗流强度逐渐增大，引起等势区上移，从而增大扬压力。其扬压力作用在影响面的示意图：