文摘

这次调查集中在三维(3 d)渗流场的模拟沥青混凝土核心堆石坝设计水位条件下(ACRD)。首先,介绍了渗流有限元理论在干旱的区域;然后,hydro-junction投影在新疆是努尔人河选为工程背景,渗流场的有限元模型的沥青和混凝土核心堆石坝设计水位条件下,建立了确定和边界条件,下的渗流场分布不同的概要文件是策划,和不同时间点的监测值与有限元的解决方案;可以得出结论,当坝基的防渗系统是好的,在下游水位的心墙是大大减少;坝基,减少的截水墙的影响非常明显,坝体,某些泄漏缺陷的联合防渗体的横截面 和 可以存在。dam-around渗流,水文地质条件符合实际情况。这些结论可以提供未来的设计具有重要意义。

1。介绍

大坝蓄水建筑,它有许多类型1),例如,路堤大坝和混凝土坝,但心墙坝是目前世界上应用最广泛的方法(2,3),因为它有许多优点,如结构简单、坝基条件适应性好,抗震性能好,经济投资4]。心墙坝的渗流场的分布为大坝的安全是一个很重要的问题(5]。

监测心墙坝的渗流分布,许多研究已经由许多研究人员(6,7]。徐et al。8)开发了一种三维(3 d)根据修改后的广义塑性有限元程序模式模拟施工过程;介绍了粒子群优化算法通过香等。9在建模过程中;渗压计的水位滞后的影响进行调查。然后一个非线性弹性变形,提出了一个非稳定渗流耦合模型来模拟渗流和变形过程由陈和张(10];蒙特卡罗模拟和随机场理论应用于模拟路堤大坝的渗流Tan et al。11];渗流行为的流域面砂调查Choo et al。12];的反演大坝渗流参数基于有限元模型是由任et al。13]。但是这些调查打算潮湿的地区,干旱地区的渗流场的分布;调查是稀缺的;调查地区位于新疆,中国。这是一个典型的干旱区;没有渗透在干旱地区(14,15),因此三维渗流场的模拟干旱地区成为一个重要的问题。

本文的组织结构如下:在部分2,首先介绍了渗流有限元法;节3,数值模型建立的具体工程实例,确定边界条件;节4调查结果与讨论;节5,得出了结论。

2。渗流的有限元方法

透水介质包括裂隙岩体被视为连续的各向异性介质。它假定岩石破碎岩石水力学,如果裂缝更发达,和代表性体积单元存在,其规模不够大,它可以被看作是地下水运动(16,17并证实了饱和和稳定的达西渗流定律不可压缩流。他们可以表达如下: 在哪里 速度分量, 是渗透张量, 水力梯度, 是水的头。

当方程(1)被替换成渗流连续方程 ,它可以表示如下18- - - - - -20.]: 在哪里 稳定入渗、蒸发能力。

其混合边界可以表示如下: 在哪里 是常数。

根据雪的理论,假定岩体中的裂隙是广义的 组织;单位法向量的裂缝 - - - - - -th组 ;平均开放程度 ;当不同组的裂缝都无限广泛的(21),它可以表示如下: 在哪里 体积密度和吗 平均等效水力隙宽;也就是说, ,在哪里 的总数量吗 - - - - - -群裂缝 的等效水力隙宽吗 th裂缝;考虑nonthrough骨折,裂缝被假定为圆,其平均半径 ;渗透张量可以获得如下根据方程(5): 在哪里 重力加速度, 运动粘度系数, 缝盘的半径, 是一个无量纲系数,反映了裂缝连通性和十字路口的数量在不同组的裂缝中, ,当裂缝nonthrough, ; 体积密度吗 - - - - - -th组裂缝, 。

根据方程(2),三维渗流的有限元基本方程可以如下所示:

在哪里 元素和水压力的吗 的渗流矩阵元素;它们可以显示如下: 在哪里 等周元素的形式功能八节点空间。

最后,整个过滤矩阵可以由元素过滤矩阵如下(22]:

最初的流程方法解决矩阵。根据该方法,达西定律可以修订如下:

在哪里 是流量, 是渗入传感器, 是流量的初始值。

没有干旱地区的渗透; 可以改写如下: 在哪里

最初的流程的价值可以如下所示:

用方程(12)持续的渗流方程,可以得到如下:

根据伽辽金方法,整个地区是离散,有限元方程可以改写如下(23,24]: 在哪里 和 分别是全球传导矩阵和等效节点流,分别 相当于节点流来源于最初的流程,然后呢 可以表示如下(25]: 在哪里 几何元素的矩阵和吗 是水的头节点的数组元素。

3所示。工程应用实例

3.1。项目概述

这个调查的考虑水电工程位于努尔人河。这是一个控制hydro-junction投影。引水发电系统位于左岸;溢洪道和导流隧洞位于右岸。水库总容量是06.9亿米3,正常蓄水水平是2497;死水位2465米;电厂的总装机容量为6.2兆瓦;多年平均年一代是02.17亿千瓦时,和大坝的基本信息,如图所示1。


图1
典型的大坝。

三峡大坝位于河床;它是一种沥青混凝土核心堆石坝最大高度为80米。风成低液限粉土覆盖在左岸边坡上部,及其厚度30 ~ 53米;更新世冲积砂和砾石覆盖在更新世冲积砂砾的下部,和它的厚度大约是5 ~ 6米;弱风化层的上限集团在西部地区覆盖着左岸核心基础( 部分);弱风化层的上限是覆盖着左岸核心基础( 部分);Pleistocene-Holocene冲积砂和砾石覆盖在通道的核心( 部分);的问3基地冲积砂和砾石覆盖在0 ~ 15米的深度;问2 al冲积砂和砾石位于15 ~ 20米的深度;西方集团坐落在20米的深度。风成低液限粉土覆盖在右岸边坡(海拔高度大于2730),和它的厚度是35 ~ 45米;台地砾石覆盖在右岸(海拔2730米)。根据地质调查和工程经验,渗透系数,容许梯度不同的岩层,筑坝材料如表所示1。

表1
渗透系数和允许的后裔。
3.2。等效有限元模型的建立

建立模型, 在维度采用计算的范围。它是绘制在图2。


图2
计算域的范围。

根据相应的数据,建立hydro-junction地区三维渗流模型图3。各向同性的有限元模型,采用六面体eight-node的四面体元素的过渡清晰度也选择在一个特定的当地。总共55877个元素和56126节点生成模型。顶部视图模型的绘制在图4。


图3
hydro-junction区域的三维有限元模型。

图4
有限元模型的前视图。

16个典型情节概要文件选择一个二维渗流场的配置文件;大坝的概要文件平行于轴1 ~ 6(编号,分别位于三峡大坝下游的轴: , , , , ,和 );概要垂直轴的大坝编号为7 ~ 14(桩数量,分别 , , , , , , ,和 );溢洪道的中心轴剖面是编号为15;中央轴剖面划分隧道编号为16。资料绘制在图的特定位置5。


图5
计算区域的位置和数量。
3.3。边界条件的确定

模型中的边界条件的原理图绘制在图6。在模型中,六个边界条件,分别设置如下:(1)截止在左和右边界银行和上游截止边界和底部边界,分别假设作为防水边界;下游截止边界被定义为下游河床的水位(2)上边界条件:以下地方水位水库的上游侧设置为给定的头边界;渗流边界可以存在在水库的水位以上的地方,所以选择水库的上游水位为2470米;下面的地方在下游端下游水位是设置为给定的边界;渗流边界可以存在在下游水位以上的地方,所以下游河床断面的水位是设置为2413.8


图6
原理图的边界条件。

4所示。结果和讨论

4.1。分析设计水位条件下的渗流场

三维渗流场分析当防渗系统和液压隧道内壁都好。渗流的等势图提出在三峡大坝的典型剖面,分别从数据绘制7- - - - - -16如下:


图7
对坝基渗流场的等势分布地图(1 - 1)。

图8
对坝基渗流场的等势分布地图(2-2profile)。

图9
对坝基渗流场的等势分布地图(3-3profile)。

图10
对坝基渗流场的等势分布地图(4 - 4)。

图11
对坝基渗流场的等势分布地图(盘中概要文件)。

图12
对坝基渗流场的等势分布地图(6-6profile)。

图13
对坝基渗流场的等势分布地图(7-7profile)。

图14
对坝基渗流场的等势分布地图(8)。

图15
对坝基渗流场的等势分布地图(领路人依旧概要文件)。

图16
对坝基渗流场的等势分布地图(并且配置文件)。

这可以从图中找到7图14当坝基的防渗系统是好的,在下游端水位大坝心墙的身体大大减少,并在坝体浸润线很低,光滑,他们基本上是位于坝基覆盖层;渗流场的分布地图的溢出和导流隧洞,分别绘制在图15和16。它可以在图中找到15溢出隧道,隧道主体以外的桩数 都是在地下水位以上;这可以从图中找到16导流隧洞,大部分隧道地下水位下的身体;隧道的身体除了桩数 都是在地下水位附近。

4.2。监控对渗流场的分析
4.2.1。准备分析对坝基的渗流监测数据

内容的渗流监测hydro-junction投影是由三部分组成:坝基渗流监测,坝体渗流监测,dam-around渗流监测。

4.2.2。大坝的渗流监测的基础

在坝基渗压计埋在横截面的下游 和 截水墙。分别他们的海拔是2406.5米和2407.5米。

4.2.3。大坝的渗流监测身体

(1)下游的渗流监测的核心基地。埋在下游的渗压计的核心基地,分别编号为P1, P10,侯,P3, P12, P13, P6,好,P8, et al。水位的分布地图的渗透压力监测点沿坝轴线图所示17;它可以在图中找到17不同的监视点的渗流压力分布曲线基本上是符合大坝混凝土核心之一;然而,高渗透水位可能存在于蓝色的圆。


图17
监测值的下游侧渗透压。

(2)下游坝体的渗流监测。横截面上的渗流压力的分布地图 和 分别绘制在图吗18和19。它可以从数据中找到18来19不同的渗流压力分布基本上符合渗流压力分布规律。但渗透压力的分布在监视点P6和P5, P3,和P2是异常;这种现象可以起源于共同的泄漏缺陷的混凝土基础。


图18
水位的分布地图的横截面 。

图19
水位的分布地图的横截面 。

(3)Dam-Around渗流监测。监控分UP9、表白和皮层,分别埋在左岸13米的距离,21米,从下游和120米;监控分UP14、UP13 UP12,分别埋在右岸距离6米,83米,113米的下游。

4.3。渗流水位的比较分析
4.3.1。大坝的渗流比较基础

渗透压力的监测值的监视点P2和P5横截面 和 下游的截水墙与有限元模拟的值相比较。这是显示在表2有限元模拟的值是大于1 m低于监测值,也可以看出监视点的头到达77.5%以上的两种方法。减少的截水墙的影响相当明显。截水墙的整体情况良好。

表2
渗透压力的比较在监视点P2and P5。
4.3.2。大坝的渗流比较身体

(1)下游的渗流监测的核心基地。沿着下游渗透压力的监测价值的核心基地与有限元模拟的价值。这是显示在表3仿真值监控分低于实际价值,特别是对于监视点P6和P3;都相当低,分别减少3.45米和5.65米,但其他监视点的大小差异很小;总的来说,渗流压力的大小左右银行高,中间的桩数量较低;这样的分布规律是用两种方法表示。可以得出的结论,某些泄漏缺陷的联合防渗体的横截面 和 相比之下可以存在。

表3
下游的渗流压力的比较核心基地。

(2)下游坝体的渗流监测。横截面的渗流压力的监测价值 和 分别是,相比之下,有限元模拟的价值。这是显示在表4模拟值低于实际监测值;在截面渗流压力的大小 减少了1.0米~ 2.0米;的横截面 减少了4.0米~ 5.0米;面临一个共同的问题是:水的渗流压力水平的深度在下游端坝基截水墙的低于基础的表面;这种现象不确定多孔介质的基本法律,可以得出如此结论,存在渗漏缺陷的联合防渗体,海拔2420米。

表4
在下游坝体渗流压力的比较。
4.3.3。的比较Dam-Around渗流监测

的监测价值dam-around渗流左右银行与有限元模拟的值相比较。这是显示在表5监视点表白的监测值和皮层在左岸,分别为(6.0米和7.24米)高于模拟值,因为他们的轴心线的距离远;溢出的水溢洪洞结果监测值就越高。右岸的监测值非常接近模拟值;不同的是小于2米。这些表明,水文地质条件符合实际情况。

表5
关于dam-around渗透渗流压力的比较。

5。结论

(1)当坝基的防渗系统是好的,水位在大坝下游一侧身体大大减少(2)坝体和地基的渗流场有限元模拟与监测结果基本上是一致的;水的渗流压力基本上是低于监测水位、尤其是对横截面 和 ;他们减少大小更重要的是,可以得出的结论,某些泄漏缺陷的联合防渗体的横截面 和 可以存在(3)底监视点的渗流压力低于坝基的横截面 和 在大坝部分;它可以得出结论,存在渗漏缺陷的联合防渗体的高度2420米(4)dam-around渗流计算与分析的左和右的银行证明震级的监视点表白和皮层左岸更高;泄洪洞的溢出的水可以直接因素;右岸的监测值非常接近模拟值;这些表明,水文地质条件符合实际情况的投影

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持的第一批四川省教育部自然科学基金(没有。17 za0270),交叉项目在南阳理工学院(230067年),和一般科研项目浙江省级教育部门(Y201839661)。