混凝土坝坝基排水孔间距对渗流场的影响数值分析

混凝土坝坝基排水孔间距对渗流场的影响数值分析焦晓帆(陕西省宝鸡峡引渭灌溉管理局陕西成阳712000)摘要采用三维渗流场有限元方法，模拟坝基渗流场。建立三维渗流场有限元分析模型，精确模拟排水孔的位置。分别计算排水孔间距为2m、3m、4m三种工况下坝基渗流场，详细分析和探讨坝基及消力戽排水孔间距对渗流场的影响。分析表明，排水孔间距越小，排出的渗流量相应增加，扬压力有所减低，但是坝基排水孔、坝体下游消力戽排水孔间距由3m减小到2m或增加到4m时，对坝基整体渗流场及坝基扬压力影响并不明显，所以坝基内的排水孔间距可以取为较大值。关键词坝基；排水孔；渗流场；数值分析；渗流控制中图分类号：T、，139．1文献标识码：A对于建于基岩上的混凝土坝，坝基的渗流控制是其中一个关键问题，坝基渗流控制不合理往往造成较大的水量渗漏甚至影响大坝安全f”。混凝土坝体往往设置排水廊道和排水孔来排出多余的渗水，而对于坝基的防渗措施较为复杂。混凝土坝坝基中一般采用上游帷幕作为主要的防渗措施，在帷幕下游侧设置相应的排水孔幕，同时在坝基中再设置若干道排水廊道以及相应的排水孔幕，有的工程还在下游侧设置消力戽并在消力戽中设置小范围帷幕和排水孔幕[21。在坝基中设置排水孔幕是为了排出渗水量，减小坝基扬压力，保证坝基安全稳定。目前，排水孔的间距一般取为2m～5mm，不同的排水孔间距将取得不同的排水减压效果，本文建立渗流计算整体有限元模型，在建立起混凝土坝坝基完整的防渗系统的基础上，分析不同排水孔间距对坝基渗流控制效果的影响，为坝基排水孔间距的设置提供一定的参考。1排水孔的模拟方法在坝基廊道底部或顶部通常布置有密集的排水孔。排水孔孔径一般只有10em左右，间距也只有2m一6m，但其空间分布却达数百米H。排水孔在渗流场中直接将地下水排至渗流域以外，对水头分布的影响极大，往往能对工程的渗流特性及渗控设计起到关键性的控制作用。排水孔的内部边界在渗流场中是可能逸出面，排水孔的渗流行为在算法上可分为两种情况来分析，一种是排水孔穿过渗流自由面，另一种是排水孔不与自由面相交。当穿过自由面时，排水孔内边界面渗流自由面以上的孔段为不透水边界，渗流自由面以下排水孔内水位以上的边界面为逸出面，位于孔内水位以下的边界面为已知水头边界。当排水孔不与自由面相交位于自由面以上时为不透水边界，位于自由面以下时为已知水头边界。本文采用真实模拟排水孔位置而忽略其尺寸效应的方法模拟排水孔的作用，将排水孔作为有限元网格位于一条线上给定水头的若干节点处理，通过多次迭代计算，确定最终需要施加给定水头的节点。这种方法使网格剖分和排水孔边界处理等过于复杂的问题得以解决，在处理数量巨大密集的排水孔时，是一种较简单和方便的方法。这种方法虽然忽略了孔径大小的影响，但在孔径与单元网格间距相对比较小时，可以取得精确的结果[5-6／。2渗流场有限元模型2．1工程概况某水电站以发电为主，水库正常蓄水位1906．0m，相应库容2．65亿m，电站装机容量1280MW。该工程为二等大(2)型工程，挡水、泄洪、引水及发电等永久性主要建筑物为2级建筑物，次要建筑物为3级建筑物。拦河大坝为碾压混凝土重力坝，大坝从左岸到右岸分别布置有左岸挡水坝段、左岸泄洪底孔、泄洪表孔、右岸泄洪底孔、右岸挡水坝段。坝顶高程1909．50m，建基面高程1772．00m，最大坝高137．5m。大坝坝顶长度245．00113，坝顶宽度10．0m，坝底最大宽度为99．0m。坝体断面上游面垂直，下游坡比为1：O．72。根据工程的特点，重点对坝基防渗工程措施，概述如下：采用上、下游双排防渗帷幕及排水幕，坝内设排水廊道，通过集水井和抽排措施降压。坝基设两道帷幕，上游一侧帷幕深度要求进入相对不透水层(q<1Lu)5m。帷幕深度多在50m～l15m之间，帷幕最大深度126．4m。防渗帷幕由2排灌浆孔组成，孔间距2m，排间距1．5m；下游侧单排帷幕深度约为30m。基础灌浆排水廊道，高于基岩面3m一5m，帷幕后设主排水幕，排水孔孔深20m～25m，向下游倾斜15。。坝下0+030．50ITI设第一排水幕，直孔，孔深20m；坝下0+060．50m设第二排水幕，直孔，孔深20m；坝下0+088．00m设下游基础灌浆排水廊道(仅河床泄水坝段)，分别在左、右底孔两侧通过挡墙进入左右岸帷幕灌浆洞，形成下游防渗帷幕和排水幕，排水孔向上游倾斜15。，孔深20m。2．2有限元模型根据工程特点建立三维渗流分析模型，分析坝基排水孔间距对坝基渗流场的影响。渗流计算模型向上游取3倍坝高，向下游取4．5倍坝高，坝基取2．3倍坝高。计算模型包含河床覆盖层、强风化层、弱风化层、强卸荷带、弱卸荷带、完整基岩。模型大小为1006m×900m×694m(长×宽×高)，对排水孔部位进行重点剖分，共剖分48566个结点，左岸基岩