渗流作用下土石坝防渗及坝体应力变形仿真分析

论文摘要

土石坝建设历史悠久,因其具有就地取材,对地质条件要求低,施工简便,造价便宜等优势,广泛应用于各种水利工程。随着土石坝高度的不断增加,渗流和稳定计算已经不能满足现代土石坝设计的要求,应力变形分析也成为土石坝设计的必要步骤之一。对于深厚覆盖层上的土石坝,目前通常采用混凝土防渗墙作为垂直防渗设施。然而土石坝填筑蓄水及稳定渗流时,防渗墙和坝体受力非常复杂,因此,如何准确地估算防渗墙及坝体的应力变形是目前土石坝设计时急需解决的问题之一。本文回顾了渗流理论的发展过程及分析方法,基于地下水渗流的基本理论和基本方法,推导了地下水渗流的微分方程,建立了二维土石坝渗透数值模型。通过对非线性弹性Duncan-Chang E-V及E-B本构模型的比选,确定了E-B屈服准则作为土石坝有限元计算的本构模型;并结合土石坝渗透数值模型,编制了考虑渗流作用时土石坝应力有限元计算程序。结合崔家营航电枢纽工程,从技术是否可行、防渗效果、施工难度、投资大小等角度进行综合比较,主要从安全可靠的角度考虑,确定了使用塑性砼防渗墙的砂砾石坝坝型;同时利用规范推荐的Bishop法计算了正常和非常工作条件下坝坡的安全系数,并与有限元法计算的安全系数进行对比;利用自行编制的土石坝渗流程序,对大坝导流明渠段,分析了防渗墙进入砂砾石5m、10m及墙深至基岩三种工况下其最大比降及流量等的变化规律;而对河滩段则比较了垂直防渗和考虑开挖弃料作用且未采取防渗措施两种工况下其最大比降及流量等的变化规律;最后通过自行编制的土石坝应力有限元分析程序,对采用不同材料的坝体在不同工况下的应力变形进行仿真分析;验证了自制的有限元法应用于渗流作用下大坝应力变形研究的合理性和优势;在对所作的研究工作进行总结和得出的结论的基础上,对研究中有待解决的问题进行了分析说明,并指出了有待进一步深入研究之处,本文主要研究结论有:（1）在未截断透水层的情况下,随着防渗墙深度的增加,下游坝坡的出逸比降有所减小;但对单宽流量影响甚微,除非将透水层完全截断。（2）防渗墙后坝体与砂砾石层最大水平比降及防渗墙最大比降与防渗墙进入砂砾石层深度无关。（3）坝体和防渗墙的变形与坝体填料特性密切相关,坝体填料刚度越大,变形越小。对于同一材料而言,大坝竣工期前,由于堆石体的泊松效应,大坝上下游的位移方向基本呈上游向上游移动,下游向下游移动的趋势;大坝竣工期（防渗墙施工后）,坝体的水平位移和竖向位移几乎没有变化;在蓄水期,由于水压力的作用,上游的水平位移略小于竣工期,而向下游的位移则略大于竣工期。因此,水平位移则随水位的增加向下游发展。坝体竖向沉降与竣工期相比有一定的增加,这就体现了蓄水对坝体沉降的影响。（4）坝体填料的刚度对坝体应力的影响不大。随坝体填料刚度的增加,坝体大主应力极值略有增加。（5）坝体填料的刚度对防渗墙的应力影响很小。随坝体填料刚度的增加防渗墙的大主应力最大值略有减小,而小主应力最大值略有增大。随坝前水位的上升,防渗墙的大、小主应力最大值略有增大。（6）大坝及防渗墙的应力水平随坝体填料的刚度增加而减小,随水位的上升而增加。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题依据及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 土石坝的发展现状及特点
• 1.2.2 土石坝应力变形研究现状
• 1.2.3 土石坝渗流分析的研究现状
• 1.2.4 大坝防渗的研究现状与不足
• 1.3 研究思路和技术路线
• 2 土石坝地下水渗透数值模型建立
• 2.1 引言
• 2.2 渗流理论及方法概述
• 2.2.1 渗流理论发展过程
• 2.2.2 土石坝渗流分析方法概述
• 2.3 渗流基本假设及基本定律
• 2.3.1 基本假设
• 2.3.2 地下水渗流Darcy 定律
• 2.4 渗流基本方程
• 2.4.1 连续性方程
• 2.4.2 渗流基本微分方程
• 2.4.3 渗流基本微分方程的定解条件
• 2.4.4 土石坝地下水渗透数学模型的选用
• 3 施工及稳定渗流期土石坝坝坡稳定性分析
• 3.1 引言
• 3.2 边坡稳定性计算极限平衡法
• 3.2.1 Bishop 法
• 3.2.2 Janbu 法
• 3.2.3 强度折减有限元法
• 3.3 土石坝坝坡稳定性影响分析
• 3.3.1 施工期稳定性分析
• 3.3.2 稳定渗流期坝坡稳定性分析
• 3.4 崔家营航电枢纽工程大坝坝坡稳定计算
• 3.4.1 计算条件
• 3.4.2 计算方法与计算工况
• 4 确定土石料本构模型
• 4.1 引言
• 4.2 土石料坝的本构模型
• 4.3 DUNCAN-CHANG E-B 模型参数的选取
• 4.3.1 抗剪强度指标的确定
• 4.3.2 R、K、n 值的确定
• b、m 值的确定'>4.3.3 K_b、m 值的确定
• ur 值的确定'>4.3.4 K_ur值的确定
• 4.4 构建弹性矩阵
• 4.5 DUNCAN-CHANG E-B 与E-V 模型的对比
• 5 崔家营土石坝防渗及坝体应力变形仿真分析
• 5.1 崔家营航电枢纽工程工程地质条件
• 5.1.1 工程概况
• 5.1.2 区域地质
• 5.1.3 水库区工程地质
• 5.1.4 坝址工程地质条件
• 5.1.5 水文地质条件
• 5.2 大坝坝型的优选
• 5.3 大坝导流明渠段及河滩段防渗仿真分析
• 5.4 不同材料、不同工况下坝体应力变形仿真分析
• 5.4.1 有限元模型建立
• 5.4.2 不同材料、不同工况下坝体应力变形有限元分析
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献