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混凝土重力坝复杂岩基渗流规律与渗控效果研究

作　者: 刘情情
导　师: 王恩志
学　校: 清华大学
专　业: 水利工程
关键词: 混凝土重力坝有限元计算挠曲破碎带排水敏感性分析防渗帷幕
分类号: TV223.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

混凝土重力坝中坝基扬压力是影响坝体稳定的重要因素，采取适当的渗控措施对于坝体的安全运行是至关重要的，对于坐落于复杂岩基上的重力坝，复杂地质结构的存在及各岩组的交错分布增加了渗流场的复杂程度，采用有限元方法建立包含地质结构和坝体构造的模型进行渗流计算可比较真实的模拟渗流场的分布。本文对向家坝水电站和龙华口水电站建立了包含防渗系统、排水系统、坝体结构、岩层分区的二维及三维有限元模型，基于等效连续介质模型，考虑不同岩层分区的渗透性差异进行了典型坝段二维和整体三维有限元渗流计算，结合实际工程问题进行多种工况的对比分析，对防渗系统、排水系统及两者联合作用下的渗控效果进行了评价；分析了坝基挠曲破碎带及固结灌浆区的渗透性对渗流场的影响；对排水孔深度进行了敏感性分析，对排水孔移位情况、排水孔关闭程度及不同排水孔启闭组合工况进行了计算，为排水系统的优化与调整提供了依据；分析了帷幕渗透性变化对坝基扬压力及坝基渗流量的影响。本文的渗流计算分析表明：向家坝工程与龙华口工程的渗控系统都是有效的；防渗帷幕可有效阻隔上游水流，减小坝基渗流量，但对降低扬压力的贡献较小，扬压力的降低主要依靠排水措施，在排水保持通畅的前提下，帷幕渗透性小幅度增大时，坝基扬压力无明显变化，坝基渗流量、排水孔排水量有所增加；固结灌浆区对渗流场的影响主要体现在可以降低坝基渗流量及排水孔排水量，对坝基扬压力的影响很小；坝基中挠曲破碎带岩体渗透系数的改变主要影响坝基渗流量、部分排水孔排水量和挠曲带的水力梯度分布，对坝基扬压力影响较小，穿过挠曲带的排水孔会增大破碎岩体的水力梯度，可通过调整该部位排水孔的深度或开度使水力梯度值在安全范围内。在多排排水情况下，关闭部分排水孔后，被关闭排水孔周边岩体的水力梯度减小，坝基扬压力增大，其相邻排水孔排水量增加，总排水孔排水量减小。随着蓄水位的升高，各排排水孔幕的排水量均增加，但不同位置排水孔排水量的增幅不同。本文的计算成果为实际工程渗控系统的优化调整与大坝安全评价提供了依据，文中所总结出的渗流规律也可供类似工程借鉴参考。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-10
第1章绪论  10-16
  1.1 问题的提出  10
  1.2 选题背景及意义  10-11
  1.3 文献综述  11-14
    1.3.1 防渗、排水措施单因素作用下的渗控效果  11-12
    1.3.2 破碎岩体渗流特性  12
    1.3.3 裂隙岩体渗流的数学模型  12-14
  1.4 研究方法  14
  1.5 论文结构安排  14-16
第2章渗流计算原理  16-30
  2.1 渗流基本方程  16-19
    2.1.1 达西定律  16-17
    2.1.2 渗流连续性方程  17
    2.1.3 渗流基本微分方程  17-18
    2.1.4 定解条件  18-19
  2.2 渗流数学模型的求解  19-27
    2.2.1 数值计算方法  20
    2.2.2 有限元求解渗流场原理  20-27
  2.3 等效连续介质模型  27-30
    2.3.1 渗流场控制方程式  27
    2.3.2 求解渗流场的有限单元法  27-30
第3章向家坝工程典型坝段二维有限元渗流计算分析  30-66
  3.1 工程概况  30
  3.2 坝基地质条件及渗控措施  30-31
    3.2.1 坝基地质地形条件  30-31
    3.2.2 渗控方案  31
  3.3 泄 6 坝段二维渗流场计算  31-48
    3.3.1 模型的建立及渗透参数  31-33
    3.3.2 计算工况  33
    3.3.3 工况 1：无防渗无排水  33-35
    3.3.4 工况 2：有防渗无排水  35-39
    3.3.5 工况 3：有防渗有排水  39-43
    3.3.6 工况 4：主排水位置变动  43-47
    3.3.7 小结  47-48
  3.4 左厂 4 坝段渗流场计算  48-64
    3.4.1 模型的建立  48-50
    3.4.2 上游主排水孔深度敏感性分析  50-52
    3.4.3 排水孔开闭组合分析  52-59
    3.4.4 主排水孔关闭程度敏感性分析  59-62
    3.4.5 渗漏通量分析  62-64
    3.4.6 小结  64
  3.5 本章总结  64-66
第4章向家坝工程整体三维有限元渗流计算分析  66-108
  4.1 模型的建立  66-67
  4.2 渗透参数  67-68
  4.3 基本工况计算  68-75
    4.3.1 等水头线分布  70-71
    4.3.2 水力梯度分布  71-73
    4.3.3 扬压力  73-74
    4.3.4 整体渗流场渗流量分析  74-75
    4.3.5 不同工况计算结果汇总  75
  4.4 水力梯度边界取值影响分析  75-85
    4.4.1 等水头线分布  76-80
    4.4.2 典型坝段扬压力  80-81
    4.4.3 水力梯度分布  81-84
    4.4.4 整体渗流场渗流量分析  84-85
    4.4.5 小结  85
  4.5 固结灌浆区渗透性敏感分析  85-91
    4.5.1 等水头线分布  85-87
    4.5.2 典型坝段扬压力  87-88
    4.5.3 水力梯度分布  88-90
    4.5.4 排水孔排水量分析  90
    4.5.5 小结  90-91
  4.6 挠曲破碎带渗透性敏感分析  91-97
    4.6.1 等水头线分布  91-92
    4.6.2 典型坝段扬压力  92-93
    4.6.3 水力梯度分布  93-95
    4.6.4 排水孔排水量分析  95-96
    4.6.5 小结  96-97
  4.7 排水不同启闭组合分析  97-104
    4.7.1 等水头线分布  97-98
    4.7.2 典型坝段扬压力  98-100
    4.7.3 水力梯度分布  100-102
    4.7.4 整体渗流场渗流量分析  102-104
    4.7.5 小结  104
  4.8 不同水位工况下渗流量分析  104-107
    4.8.1 排水孔总排水量  104-105
    4.8.2 各排水孔幕排水量  105-106
    4.8.3 各分区排水孔排水量  106-107
    4.8.4 小结  107
  4.9 本章总结  107-108
第5章龙华口水电站渗流计算与渗控效果分析  108-134
  5.1 工程概况  108
  5.2 坝址地质地形条件及坝基处理  108-109
    5.2.1 坝址区地形地质条件  108-109
    5.2.2 坝基处理及渗控措施  109
  5.3 典型坝段二维渗流场计算  109-120
    5.3.1 模型建立  109-110
    5.3.2 渗透参数及计算边界  110-111
    5.3.3 渗流计算  111-119
    5.3.4 小结  119-120
  5.4 整体三维渗流计算  120-133
    5.4.1 模型的建立  120-122
    5.4.2 渗透参数  122
    5.4.3 渗流计算  122-132
    5.4.4 小结  132-133
  5.5 本章总结  133-134
第6章结论与展望  134-136
  6.1 结论  134-135
  6.2 展望  135-136
参考文献  136-138
致谢  138-140
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  140

混凝土重力坝复杂岩基渗流规律与渗控效果研究

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