基于温度场数值模拟的土石坝渗流研究_曹建.pdf

科 技 创 新科 技 创 新图 1大坝的计算域收稿日期：2022-09-08作者简介：曹建，男，汉族，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市新疆头屯河流域管理局水利管理中心，工程师。基于温度场数值模拟的土石坝渗流研究基于温度场数值模拟的土石坝渗流研究摘要以某土石坝为例，采用有限元模型对坝体及坝基的渗流和温度变化进行模拟，数学模型对饱和和非饱和区的控制方程进行离散和求解。并考虑不同方案来确定已建大坝的实际情况。结果表明，坝体的实际水力渗透性与方案 C2几乎相同。关键词热模拟；土石坝；有限元分析曹建堤坝安全计划通常包括监控系统，以解决渗流控制和渗漏检测问题。渗漏量是评价大坝安全的关键参数之一。在坝体中安装不同的仪器收集渗流参数，以测量渗流率，并能够观察可能存在的运输材料。这些仪器的空间分辨率通常不足以检测小型和局部渗流特征，这也是大多数内部侵蚀事件通过目视检查而不是任何监测系统检测到的主要原因之一。因此，需要进一步改进渗流检测和监测技术。温度值较容易测量，并且可以提供从大坝不同区域输送的异常流中的有用信息，所有地表水（如湖泊、水库和河流）中发生的季节性温度变化会导致通过大坝渗流发生季节性变化，这一现象已发展成为大坝渗流监测方法的基础，这种季节性温度变化的幅度可以在大坝中测量，并与通过大坝的渗流相关。为了长时间、远距离监测渗漏，基于光纤光栅的分布式温度传感器提供了一种有效的解决方案。采用温度跟踪法进行渗流监测是目前公认的监测坝体渗流变化最有效的高灵敏度方法。此文提供了渗流模拟和温度传输模型在评估管道特性中的应用，并通过比较不同的渗漏方案来揭示流动和热模拟在量化大坝测量数据方面的应用效率。1.大坝渗流与温度变化气温和水库水温影响着堤坝内的温度。因此，温度随季节变化，产生的温度波会在大坝中传播。通常，土石坝中的渗流量较小，坝体内的季节性温度变化主要取决于地表气温。然而，当坝体深度超过 10m时，空气影响小于 1C。因此，在这种深度下空气的影响可忽略不计。在高渗流率下，上游水库的水温变化完全决定了坝体内部的温度。大坝内的季节性温度变化与渗流率成正比。一般认为，坝心下游温度恒定是小渗漏的标志，而较大的季节变化则可能是大渗漏的标志。随着渗流量的增加，大坝温度的季节变化也随之增加。这种变化取决于渗流、流入边界的季节变化以及边界到测量点的距离。土石坝的热工水力特性通常比较复杂，可以作为不同的基本热过程进行研究，包括热传导、平流和扩散。大坝材料特性的变化以及大坝饱和和非饱和部分的不同条件使问题更加复杂，必须做出某些假设以分析问题。此文以质量和能量的浓度方程模拟多孔介质中的渗流和热传输。1.1渗流微分方程多孔介质中的质量守恒方程可以表示为：（1）表 1不同方案下壳层的渗透率值表方案渗透率/（m/s）C12.310-5C2610-5C3210-4图 2大坝水库的水位和温度变化37科 技 创 新科 技 创 新式中：f流体密度，kg/m3；n孔隙度系数；Xi距离；qi泄漏流量（达西流量），m/s 或m3/（m2s）；t时间。达西定律的一般形式可以通过给出以下方程来描述渗流速度：（2）式中：kij渗透率；动态粘度；p压力；gi重力。通过组合方程（1）和（2），可以得到渗漏水流的运动方程：（3）上述方程描述了由压力（或测压头）变化和水密度变化引起的渗漏水流。1.2温度变化方程土石坝能量通量包括固相的热传导和液相的热传输。水（液相）中的能量通量包括渗漏水平均流量的热平流，以及由于渗漏水流速度的变化造成的弥散。能量（温度）平衡方程可以用一般平流-弥散方程的形式表示：（4）式中：c0土壤的体积热容，J/m2k；cw水的体积热容，J/m2k；Q显示i机械和热扩散引起的能量通量，J/m2s；qi渗漏流量（达西流量），m/s 或m3/（m2s）；T温度，；t时间，s；xi坐标；0土壤热导率。方程（4）描述了基于平流项（与渗漏通量有关）、扩散项（与土壤热导率有关）和扩散项（与土壤热扩散有关）的能量时间变化。2.案例研究以某土石坝为例，对所提出模型进行了研究。大坝高度为 32.2m，水库容量为 115MCM。共采用 8种不同的土壤类型来模拟大坝的地基、核心、外壳、排水和过滤器。2.1大坝规格研究所用大坝为具有垂直中心心墙 的 分 区 土 石 坝。坝 顶 宽 8m，长1200m。坝体为填石路堤，中心心墙由细黏土制成，略微倾斜。在研究期间，水库的年水位波动约为 18m（+112 到+130.0m），是大坝高度的一半。坝基材料为砾岩（渗透系数 m/s：K=110-5）。坝体材料由不同层组成，包括：坝壳（K=2.310-5）、核心（K=8.310-9）、过滤器（K=2.510-8）、截流层（K）。2.2计算域在坝体设计时，共研究了 21 个不同的横截面。大坝的仪表安装在第10、14、19和 21段。14号坝段是大坝最大的坝段，几乎位于河流中部，此文选择其进行渗流研究。在第 14段基础底层约 76m，基础顶层为 110m，为核心层底部。考虑到大坝横截面，其在河床水平上的长度为 203m，基础总长为 250m。横截面单元总数为 1433，节点总数 为 1451。在 水 平 方 向图 3第 14段流型数值结果（图中未显示基础的上下游部分）图 5（a）模拟的水流速度曲线（b）模拟的温度分布（转第 41页）图 4所有方案的 1416测压计中测压头的月度变化38科 技 创 新科 技 创 新按照适地适树的原则，兼顾经济效益与景观，对于土质肥沃、坡度较缓的经济林实施水平阶整地和树盘，对于有一定根稞，郁闭度较低的灌木林地、疏林地进行封育治理，对密度小的地块实施补植侧柏和油松，具体的治理措施包括：修 建 护 地 堤 650m，果 园 道 路4225m，实施经济林树下水平阶整地6820.65亩，经济林树下树盘 873.15亩，封育治理 7306.2 亩，其中封禁标志牌10 块，补植油松 535.95 亩，补植侧柏1191.9亩。3.4治理成果通过各项水土保持措施的实施，小流域内 10km2的水土流失面积得到治理，累 计 水 土 流 失 治 理 程 度 达 到74.23%。到设计水平年小流域林草覆盖率达到 70%，林草面积占宜林宜草面积的 81.13%。工程区可增加蓄水能力11.26万 m3，起到涵养水源，净化水质作用，减少土壤侵蚀量 0.57万 t，减沙效益达 72%，土 壤 侵 蚀 模 数 由 原 来 930t/km2a 下降到 200t/km2a 以下，起到防风固沙，减少水土流失，改善生态环境的巨大作用。按照投资回收期 20年计算，合计年均增产值 217.72 万元，人均收入可增加 360 元以上。工程建设促进了地方经济的发展，群众积极参与水土保持生态环境的保护和建设，大大提高水土保持社会效益和舆论氛围，加速了小康社会建设进程。4.结论通过对 GIS技术及 ArcView 软件在小流域水土保持规划设计中应用情况的研究表明，GIS 技术及 ArcView 软件在区域水土保持规划设计方面精确度较高，土地利用现状、土壤侵蚀、地块坡度、土壤侵蚀地类等基本因子的统计快捷且准确，GIS 技术及 ArcView 软件能充分利用小流域土地利用状况、水土流失及水土保持措施等变量之间的关联性，提升水土流失治理效果，不断推动水土保持规划工作向专业化、自动化、精准化方向的转变。上，计算域被离散为 56 个单元，在垂直方向上离散计算域为 48个 单 元。单 元 的 最 小 尺 寸 约 为 0.50.5m，接近防渗墙，在坝基上游侧单元的最大尺寸增加到 7.54m，如图 1所示。2.3大坝库区条件大坝于 2010 年竣工并开始蓄水。大坝轴线处的河床在蓄水前为 112m，由于大量泥沙淤积而增加到 118m，并在研究期内大坝水库的水位变化主要保持在 118m129m 之间，如图 2 所示。这些变化可作为非稳定渗流模拟的上游边界条件。从图 2也可知，大坝水库的水温也在 1935之间变化。采用非稳态边界条件模拟温度。3.结果与分析3.1渗流模拟采用大坝水库中的水位和温度测量数据如图 2所示，作为上游边界条件进行渗流和温度数值模拟。在下游面，测量水位位于 112m 处的河床上。图 3显示了基于设计数据的渗流数值模拟结果。下游排水区的流速变化范围为0.30.5m/d。通过调查不同区域的流速值，得出从上游到下游的水位下降的最小传输时间约为 540d。实测数据表明，渗流量大于设计文件预测值。因此，考虑不同的计算方案来建立非稳定渗流模型，以估计大坝的实际施工条件。在每个方案中，壳层和地基的渗透系数都大于设计数据，设置如表 1 所示。其他技术参数与设计参数相同。在方案 C1 中，透气性值与文件中报告的设计数据相同。图 4 显示了第 14段的测压管水位随实测值的变化。几种方案的计算结果差别不大，因此无法得出特殊结论。在所有 3个方案中，模拟的测压水平之间没有太大的差异。换句话说，渗流模型压力水头的变化不足以判断不同的渗流系统。3.2温度模拟上游壳层渗流平均流速约为 0.3m/d，而在截止点附近渗流速度增加较多，达 1m/d。如前所述，测量显示坝区过去 30 年最低和最高平均天气温度在1935C之间。由于大坝库区最大水深小于 10m，大坝水库水温一般与天气温度相等，不存在垂直温度梯度。因此，如图 3所示的水库温度变化可作为大坝上游侧所有边界单元的边界条件。土石坝渗流过程保持了上述时间变化规律，并且在位于坝心上游侧的单元中可以看到几乎相同的变化行为。如岩心内部存在裂缝，岩心后的水温变化一般与水库水温变化相同。在渗流分析的基础上，模拟了研究期间大坝内的温度分布。6 个月和 12个月后预测的第 14段的速度曲线和温度分布，如图 5所示。在大坝的上游和下游可以清楚地看到不同时间相同位置的温度值之间的差异。如坝心未考虑裂缝，下游壳体的温度变化很小。在上游外壳中，可以看到更多温度值变化。3.3讨论为评估大坝的温度特性，考虑了 3种描述方案。图 5 说明了核心下游测压计 1416附近节点的温度变化。根据测压计 1416 和大坝水库的测量数据，绘制了所有方案的该节点温度变化。显然，方案 C2 的结果比其他方案更接近测量数据。因此，坝体的实际水力渗透性几乎与方案 C2相同。该坝体横截面的渗流主要是由于坝壳的水力渗透性值较高所致。4.结论以某土石坝为研究对象，研究了渗流对坝体内压力水头和温度场变化的影响。采用三角形和四边形有限元模型模拟坝体及坝基的渗流和温度变化。为渗流和温度建模设置了非稳态边界条件。数值模拟考虑了不同的方案来确定已建大坝的实际情况。测压水头和渗流模型结果的比较没有得出任何特殊结论。然而，比较观察到的温度值和热工模型结果说明，几个方案的结果之间存在一些明显的差异。这些差异有助于了解真实的构造条件。结果表明，坝壳的渗透系数约为设计文件中考虑的渗透系数的 3 倍。得出在土坝渗流的反向分析研究中，温度变化测量比测压水头变化测量更有效。（接第 38页）41