基于有限元法的均质土坝渗流安全评价分析与应用.pdf

DOI:1016616/jcnki11-4446/TV20230803基于有限元法的均质土坝渗流安全评价分析与应用刘书军(重庆交通职业学院,重庆 402247)【摘 要】本文以重庆市新民水库为例,采用有限元法对水库主坝、副坝分别进行渗流计算。设定五种计算工况,经计算结果分析,大坝最大渗透比降为 0 323,小于发生流土的允许比降;最大出逸比降为 0 323,小于允许水力比降 0 712。结合溢洪道、放水设施、反滤排水设施实地排查结果,工程渗流性态安全,评定新民水库大坝渗流安全等级为 A 级。【关键词】新民水库;渗流;安全评价;有限元法中图分类号:TV314 文献标志码:A 文章编号:2097-0528(2023)08-018-06Analysis and application of seepage safety evaluation for homogeneousearth dams based on finite element methodLIU Shujun(Chongqing Vocational College of Transportation,Chongqing 402247,China)收稿日期:2022-11-16作者简介:刘书军(1984),男,硕士,高级工程师,主要从事水利水电工程设计与管理工作。Abstract:This paper takes Xinmin Reservoir in Chongqing City as an example and uses the finite element method tocalculate the seepage of the main dam and auxiliary dam of the reservoir.Five calculation scenarios are set,and based onthe computed results analysis,the maximum seepage coefficient of the dam is reduced to 0 323,which is lower than theallowable coefficient for soil erosion.The maximum outflow coefficient is 0 323,which is lower than the allowable hydrauliccoefficient of 0 712.Combined with the on-site investigation results of spillways,discharge facilities,and anti-filtrationdrainage facilities,the seepage safety of the project is confirmed,and the seepage safety grade of Xinmin Reservoir dam isassessed as Class A.Keywords:Xinmin Reservoir;seepage;safety evaluation;finite element method 有限元法广泛应用于空间结构、板壳结构1-3,近年来随其理论的成熟,其应用范围也推展到水利工程中4-5。1 工程概况新民水库坝址位于长江水系桃花溪油房沟支流,全流域控制集水面积 363 8km2,河道全长 72km,主河道平均比降 5 1,河源高程 720m,河口高程 153m,全81河道落差 567m。新民水库为碾压土石坝,由主坝、副坝、溢洪坝、放水设施、附属设施组成。主坝为黏土均质坝,坝顶长度 125m,顶宽 4 0m,最大坝高 18 6m,坝顶高程 357 21m,正常蓄水位 397 9m。贴坡排水高程为 347 11m,顶宽1 5m。副坝坝顶高程为357 21m,坝顶宽 4m,最大坝高 6 89m,坝轴线长 68 0m。2 大坝渗流安全评价2 1 计算断面新民水库大坝主要建筑物为 4 级建筑物,采用有限元法计算该水坝(均质土坝)渗流情况,计算断面选择大坝最大坝高处坝体横断面作为渗流分析的典型断面(见图 1 和图 2),采用河海大学 Auto-bank7 0 渗流分析计算软件6。图 1 主坝大坝横剖面(尺寸单位:mm;高程单位:m)图 2 副坝大坝横剖面(尺寸单位:mm;高程单位:m)2 2 计算工况与参数大坝渗流计算工况应为水库运用期可能遇到的工作条件,结合大坝实际运行情况7,设定计算工况见表1。表 1 大坝渗流计算工况工 况描 述工况一“上游正常蓄水位 354 61m+下游相应的最低水位”坝体的渗流情况工况二“上游设计洪水位 355 18m+下游相应的水位”坝体的渗流情况续表 工 况描 述工况三“上游校核洪水位 355 50m+下游相应的水位”坝体的渗流情况工况四“库水位降落时:上游正常蓄水位 354 61m(393h)降至死水位 343 78m,上游坝坡稳定最不利情况”坝体的渗流情况工况五“库水位降落时:上游校核洪水位 355 50(3h)骤降至正常蓄水位 354 61m,上游坝坡稳定最不利情况”坝体的渗流情况91刘书军/基于有限元法的均质土坝渗流安全评价分析与应用 以对坝体土样及坝基岩样进行试验为基础,得到坝体及坝基岩体物理力学指标,见表 2 和表 3。表 2 坝体填料计算参数岩 土名 称重度/(kN/m3)天然饱和比重孔隙比天然抗剪指标饱和抗剪指标c/kPa/()c/kPa/()主坝黏土20 120 52 740 61124 511 8519 339 12副坝黏土19 420 22 750 67836 013 118 510 5主坝排水棱体20 212 3表 3 坝基岩体计算参数岩石名称重度/(kN/m3)天然饱和摩擦系数f抗剪断强度黏聚力/MPa摩擦角/()强风化泥岩21 223 10 350 2227 70弱风化泥岩22 325 40 400 5031 40 根据已成工程类比取用渗透系数8,稳定渗流期渗透系数的大值平均值计算,非稳定渗流期渗透系数的小值平均值计算。透水率与渗透系数之间按经验公式 K=q1 510-5cm/s 进行换算。坝体材料渗透系数见表 4。2 3 渗流计算成果本次水库渗流计算采用与 2008 年水库除险加固设计一致的假设高程系统9,该假设高程系统与 85 高表 4 坝体材料渗透系数部 位小值平均值大值平均值主坝黏土2 8410-6cm/s5 3210-6cm/s副坝黏土2 3510-6cm/s2 2810-6cm/s排水棱体3 3510-3cm/s5 3410-3cm/s灌浆带1 2510-5cm/s强风化泥岩2 35Lu4 85Lu弱风化泥岩0 47Lu1 50Lu程系统的转换关系为:假设高程-43 29m=85 高程。2 3 1 主坝计算成果经有限元法计算分析并成图,大坝在各种工况下的渗流计算成果见图 3 图 7。10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%100%397.90=1.44873106m3/s(0.12517m3/d)图 3 大坝正常蓄水位工况渗流计算成果10%20%30%40%50%60%70%80%90%90%100%100%398.66=1.5673106m3/s0.135415m3/d)图 4 大坝设计洪水位工况渗流计算成果0210%20%30%40%50%60%70%70%80%90%90%100%100%398.94=1.61423106m3/s(0.13947m3/d)图 5 大坝校核洪水位工况渗流计算成果20%10%30%40%50%60%70%70%70%t=0h,397.90mt=393h,387.01m=1.44605106m3/s(0.124938m3/d)图 6 大坝正常蓄水位降落至死水位工况渗流计算成果10%20%30%40%50%60%70%80%90%90%t=0h,398.94m=1.61057106m3/s(0.139154m3/d)t=3h,397.90m图 7 大坝校核洪水位骤降至大坝正常蓄水位工况渗流计算成果2 3 2 副坝计算成果经有限元法计算分析并成图,大坝在各种工况下的渗流计算成果见图 8 图 12。10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%100%397.90=5.97979106m3/s(0.0516653m3/d)图 8 大坝正常蓄水位工况渗流计算成果12刘书军/基于有限元法的均质土坝渗流安全评价分析与应用 10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%100%398.66=7.52103107m3/s0.0649817m3/d)图 9 大坝设计洪水位工况渗流计算成果10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%100%398.94=8.11912107m3/s(0.0701492m3/d)图 10 大坝校核洪水位工况渗流计算成果0%10%20%50%30%60%70%80%90%t=0h,397.90mt=393h,387.07m=5.96393107m3/s(0.0515284m3/d)图 11 大坝正常蓄水位降落至死水位工况渗流计算成果10%20%30%40%50%60%70%80%90%t=0h,398.94mt=3h,397.90m=8.10037107m3/s(0.0699872m3/d)图 12 大坝校核洪水位骤降至大坝正常蓄水位工况渗流计算成果222 3 3 计算成果根据上述计算方法和理论、计算参数及计算工况,进行渗流计算,渗流计算成果见表 5 和表 6。表 5 水库主坝渗流计算成果计 算 工 况单宽渗流量/m3/(sm)最大出逸比降溢出点高程/m1正常蓄水位稳定渗流期1 4510-60 235426 052设计水位渗流期1 5710-60 308426 063校核水位渗流期1 6110-60 323426 064正常蓄水位降落至死水位1 4510-60 228426 055校核洪水位骤降至正常蓄水位1 6110-60 266426 06表 6 水库副坝渗流计算成果计 算 工 况单宽渗流量/m3/(sm)最大出逸比降溢出点高程/m1正常蓄水位稳定渗流期5 9810-70 264437 742设计水位渗流期7 5210-70 271438 123校核水位渗流期8 1210-70 315438 144正常蓄水位降落至死水位5 9610-70 254437 745校核洪水位骤降至正常蓄水位8 1010-70 285438 142 4 渗流分析a 采用 水 利 水 电 工 程 地 质 勘 察 规 范(GB504872008)推荐的土体渗透变形判别公式:流土:PC14(1-n)100管涌:PC14(1-n)100式中:PC为土的细粒颗粒含量,以质量百分率计,%;n 为土的孔隙率,取 37 9%。本水库大坝施工时利用附近土料填筑,填筑料级配连续。结合同期施工附近水库工程筛分实验成果10,PC值均大于 50%,高于临界值,可判定本水库大坝渗透破坏类型为流土。流土临界水力比降采用水利水电工程地质勘察规范(GB 504872008)推荐的方法确定:Jcr=(-1)(1-n)式中:为土粒比重,=2 72;n 为土的孔隙率,取37 9%。流土临界水力比降 Jcr=1 068。允许水力比降计算方法:J=J破坏KB式中:KB为流土安全系数,此处采用 1 5。根据上式计算出允许水力比降J为 0 712。计算得到的大坝最大渗透比降为0 323,小于发生流土的允许比降,满足规范要求。b 主坝坝体单宽渗流量介于 1 4510-6 1 6110-6m3/(sm)之间,坝体属于弱透水级,合 0 13 0 14m3/(dm),以大坝均长 125m 计,大坝日渗漏量为 15 66 17 39m3。副坝坝体单宽渗流量介于 5 9810-78 1210-7m3/(sm)之间,坝体属于弱透水级,合 0 05 0 07m3/(dm),以大坝均长 68m 计,大坝日渗漏量为 3 51 4 77m3。总计日渗漏量为 19 17 22 16m3。大坝最大出逸比降为 0 323,小于允许水力比降0 712,大坝不可能发生流土破坏,出逸高度处于合理范围内。综上所述,大坝不存在渗流破坏问题。3 渗流安全评价结论a 通过各工况的渗流计算,主坝坝体单宽渗流量介于 1 4510-61 6110-6m3/(sm)之间,副坝坝体单宽渗流量介于 5 9810-7 8 1210-7m3/(sm)之间,坝体属弱透水级,渗流量不会对水库蓄水造成功能性破坏。b 大坝最大出逸比降为 0 323,小于允许水力比降 0 712,满足规范要求,不会发生渗透破坏。c 溢洪道设置在主坝的右岸,边墙及底板衬砌结构完好,不存在渗流安全问题。d 未发现放水设施存在渗漏现象,放水管无损坏,闸阀启闭正常,整体运行良好。e 大坝反滤排水设施完善,大坝在运行过程中未见异常渗流现象。依据水库大坝安全评价导则(SL 2582017),该工程的渗流性态安全,评定新民水库大坝渗流安全等级为 A 级。(下转第 17 页)32刘书军/基于有限元法的均质土坝渗流安全评价分析与应用 24 李义天,唐金武,朱玲玲,等.长江中下游河道演变与航道整治M.北京:科学出版社,2012.25 唐金武,邓金运,由星莹,等.长江中下游河道崩岸预测方法J.四川大学学报(工程科学版),2012,44(1):75-81.26 THORNE C R,TOVEY N K.Stability of composite river banksJ.Earth surface processes and landforms,1981,6(6):469-484.27 FUKUOKA S.自然堤岸冲蚀过程的机理J.赵渭军,符宁平,译.水利水电快报,1996,17(2):29-33.28 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