亭口反调节水库土石坝渗流与稳定数值分析研究

发布时间：2017-05-10 15:11

  本文关键词：亭口反调节水库土石坝渗流与稳定数值分析研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：土石坝具有结构简单、施工运行管理方便、对自然条件的适应性较强等突出优势,已经成为世界坝工建设的优选坝型。由于土石坝存在渗流现象,而渗流问题轻则减少水库流量,重则可能导致坝体溃决及水库失事,对国家的经济发展和人民的生命财产造成严重影响。因此,随着我国各种大型土石坝的建设与发展,对于土石坝渗流稳定的研究已经受到了学术界和工程界的高度重视。亭口反调节水库的建设,目的是在亭口水库排沙期不能供水时,对亭口水库的供水过程进行反调节,以满足供水区工业及生活供水需求,对于咸阳市的经济生活起着举足轻重的作用。由于该反调节水库在供水期水位降落较快,极易造成其土石坝上游坝坡渗透破坏或坝坡失稳,因此对反调蓄工程进行渗流与稳定数值分析研究,对于保证反调蓄水库安全运行和提高工程效益具有重要的现实意义,同时对于推进土石坝渗流与稳定数值分析的发展具有重要的理论意义,为工程上类似土石坝的渗流与稳定数值分析提供一定的参考。基于亭口水库土石坝建立了二维渗流稳定有限元分析模型,针对土石坝渗流与稳定数值模拟进行了细致的分析研究,并与水利工程行业工程设计常用软件进行对比分析。论文的主要结论如下:(1)在稳定渗流期,采用高级仿真有限元COMSOL Multiphysics计算所得浸润线溢出点是在下游水位以上4m排水棱体的坡面上;理正渗流计算所得浸润线溢出点是在下游水位与排水棱体坡面的交点上。通过混合边界条件的设置能够模拟出下游水流溢出的真实过程,为工程上此类土石坝的渗流计算提供参考。(2)在非稳定渗流期,围绕不同方案:利用COMSOL和理正这两款软件进行渗流分析研究时,两者所得的上游坝坡逆向渗流出逸点处的最大渗透比降相差很大,理正所得值比COMSOL所得值小50%之多。故在工程设计上,用理正进行渗流计算时,算出的渗透比降偏小,结果偏于危险;用COMSOL进行渗流计算时,计算结果更符合实际情况,仅以此为工程上此类土石坝的渗流计算提供参考。利用COMSOL和AutoBank这两款软件进行抗滑稳定分析研究时,AutoBank的计算结果要比COMSOL的计算结果小近12%,由此也说明坝坡稳定性随降速的增大而减小。故在工程设计上,如果用AutoBank进行边坡稳定计算时,算出的安全系数偏小,结果偏于安全;如果用COMSOL进行边坡稳定计算时,计算结果更符合实际情况,仅以此为工程上此类土石坝的边坡稳定计算提供参考。(3)非稳定渗流计算分析表明,降落速度是决定非稳定渗流场特征的最关键因素,上游边坡中的渗透比降随着水位的降落逐渐增大,降落速度越大,渗透比降也越大,上游坝坡稳定性也越差;水位降落时的等势线与边坡趋于平行,渗流方向指向坡面,而非传统认为平行于坡面出流,且形成指向上游坝坡面方向的渗透力,这种渗透力是不利于边坡稳定的。(4)将上游坝坡坡比由1:3.0放缓到1:4.0分析研究表明,坝坡坡比的改变对坝体的渗透稳定无影响,而只可提高坝体的抗滑稳定性;通过均质坝方案和砂砾石压坡方案的对比分析研究,前者对坝体的稳定性最不利,后者的稳定安全系数最高。(5)土石坝初始设计方案的渗透稳定和抗滑稳定不满足规范要求;改变上游坝坡后,渗透稳定不满足规范要求,抗滑稳定满足要求;基于初始方案在上游坝坡铺设土工膜作为防渗体后,渗流稳定及抗滑稳定均能满足规范要求;将大坝上游部分区域在初始坝型的基础之上改成砂砾石压坡,经过优化确定上游土料坡坡比为1:2.15,在此基础上进行渗流分析研究,结果表明,渗流稳定能满足规范要求,后期可将复合土工膜铺设在砂砾石区和上游土料坡之间作为双保险的安全储备措施。
【关键词】：土石坝 渗透比降 数值模拟 强度折减 抗滑稳定
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV641;TV223.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 土石坝渗流与稳定分析的研究背景及意义13-16
• 1.1.1 土石坝的发展13-14
• 1.1.2 土石坝事故原因统计分析14-16
• 1.2 土石坝渗流国内外研究现状16-18
• 1.2.1 国外研究现状16-17
• 1.2.2 国内研究现状17-18
• 1.3 土石坝边坡稳定国内外研究现状18-20
• 1.4 本文研究工作的主要内容20-21
• 1.5 本文技术路线21
• 1.6 本章小结21-23
• 第二章 土石坝渗流分析基本理论及数值模拟原理23-39
• 2.1 渗流分析概述23-24
• 2.1.1 渗流计算的任务23
• 2.1.2 渗流计算方法23-24
• 2.2 渗流的控制方程24-29
• 2.2.1 达西定律及其使用范围24-25
• 2.2.2 渗流基本方程式25-28
• 2.2.2.1 多孔介质中水的运动方程25-26
• 2.2.2.2 多孔介质中水的连续性方程26-27
• 2.2.2.3 渗流的基本微分方程27-28
• 2.2.3 渗流基本微分方程的定解条件28-29
• 2.3 数值模拟的有限单元法29-31
• 2.3.1 有限单元法的基本原理29-30
• 2.3.2 有限单元法的实施步骤30-31
• 2.4 渗流分析有限单元法分析过程31-38
• 2.4.1 基本方程式及定解条件31-32
• 2.4.2 变分有限元法计算公式32-35
• 2.4.3 等参变换35-36
• 2.4.4 单元渗透矩阵的形成36-37
• 2.4.5 总体渗透矩阵的形成与求解37-38
• 2.5 本章小结38-39
• 第三章 土石坝边坡稳定分析基本理论及有限单元法39-47
• 3.1 边坡稳定分析概述39
• 3.1.1 边坡稳定分析的目的39
• 3.1.2 边坡稳定计算方法39
• 3.2 极限平衡法基本理论39-40
• 3.3 边坡稳定分析的极限平衡条分法40-43
• 3.3.1 瑞典圆弧法40-41
• 3.3.2 简化Bishop法41
• 3.3.3 简化Janbu法41-42
• 3.3.4 Morgenstern-Price法42
• 3.3.5 边坡稳定分析各方法对比42-43
• 3.4 边坡稳定分析的极限平衡有限单元法43-46
• 3.4.1 极限平衡有限单元法的基本思想43-44
• 3.4.2 极限平衡有限单元法的优势44-45
• 3.4.3 应用极限平衡有限单元法需要满足的条件45
• 3.4.4 有限元强度折减法屈服准则的选用45-46
• 3.4.5 有限元模型计算的收敛准则及极限状态的判据46
• 3.4.5.1 收敛准则46
• 3.4.5.2 极限状态的判据46
• 3.5 本章小结46-47
• 第四章 亭口反调节水库均质坝方案下渗流与稳定数值模拟分析47-85
• 4.1 工程背景47-59
• 4.1.1 工程概况47
• 4.1.2 计算参数47-53
• 4.1.2.1 饱和渗流计算参数47-48
• 4.1.2.2 非饱和渗流参数48-52
• 4.1.2.3 稳定计算物理力学参数52
• 4.1.2.4 力学指标的选取52-53
• 4.1.3 计算断面53-55
• 4.1.4 计算工况55
• 4.1.4.1 渗流计算工况55
• 4.1.4.2 稳定计算工况55
• 4.1.5 评价标准55-56
• 4.1.5.1 允许渗透比降55-56
• 4.1.5.2 坝坡稳定安全系数56
• 4.1.6 计算方法56-59
• 4.1.6.1 计算采用软件简介56-57
• 4.1.6.2 非饱和渗流计算方法57-59
• 4.1.6.3 稳定计算方法59
• 4.2 COMSOL Multiphysics高级数值仿真软件分析59-76
• 4.2.1 计算模型59-61
• 4.2.1.1 几何模型59-60
• 4.2.1.2 有限元模型60-61
• 4.2.2 渗流分析61-71
• 4.2.2.1 COMSOL中参数选用及水位降落曲线61-62
• 4.2.2.2 边界条件的设置及求解62-64
• 4.2.2.3 正常蓄水位稳定渗流期计算结果64-66
• 4.2.2.4 水位骤降期计算结果66-70
• 4.2.2.5 变上游坝坡坡比渗透比降比较70
• 4.2.2.6 成果分析70-71
• 4.2.3 稳定分析71-76
• 4.2.3.1 COMSOL中参数及屈服准则的选用71-72
• 4.2.3.2 边界条件的设置及求解72
• 4.2.3.3 初始坡比计算结果72-75
• 4.2.3.4 坡比改为 1:3.2 计算结果75-76
• 4.2.3.5 成果分析76
• 4.3 工程常用软件分析76-81
• 4.3.1 渗流分析76-78
• 4.3.1.1 计算模型76
• 4.3.1.2 计算结果76-77
• 4.3.1.3 成果分析77-78
• 4.3.2 稳定分析78-81
• 4.3.2.1 计算模型78-79
• 4.3.2.2 原始坡比计算结果79-80
• 4.3.2.3 坡比改为 1:3.2 计算结果80-81
• 4.3.2.4 成果分析81
• 4.4 两类软件计算成果比较分析81-84
• 4.4.1 渗流计算成果比较分析81-83
• 4.4.1.1 原设计体型81-82
• 4.4.1.2 上游坝坡不同坡比82-83
• 4.4.2 稳定计算成果比较分析83-84
• 4.4.2.1 原设计体型83-84
• 4.4.2.2 上游坝坡坡比 1:3.284
• 4.5 本章小结84-85
• 第五章 亭口反调节水库土工膜防渗大坝渗流与稳定数值模拟分析85-97
• 5.1 基于初始坝型的上游坝坡处理措施85
• 5.2 计算断面85-86
• 5.3 土工膜防渗体86-87
• 5.3.1 土工膜简介86
• 5.3.2 土工膜渗透系数的等效及取值86-87
• 5.4 COMSOL Multiphysics高级数值仿真软件分析87-91
• 5.4.1 计算模型87-88
• 5.4.1.1 几何模型87-88
• 5.4.1.2 有限元模型88
• 5.4.2 渗流分析88-89
• 5.4.2.1 计算结果88-89
• 5.4.2.2 成果分析89
• 5.4.3 稳定分析89-91
• 5.4.3.1 计算结果89
• 5.4.3.2 成果分析89-91
• 5.5 工程常用软件分析91-96
• 5.5.1 渗流分析91-92
• 5.5.1.1 计算模型91
• 5.5.1.2 计算结果91-92
• 5.5.1.3 成果分析92
• 5.5.2 稳定分析92-96
• 5.5.2.1 计算模型92-93
• 5.5.2.2 计算结果93-95
• 5.5.2.3 成果分析95-96
• 5.6 本章小结96-97
• 第六章 亭口反调节水库上游坝坡采用砂砾石压坡大坝渗流与稳定数值模拟分析97-107
• 6.1 基于初始坝型的上游坝坡处理措施97
• 6.2 计算断面97-98
• 6.3 渗流计算98-102
• 6.3.1 计算参数98
• 6.3.2 计算方法98-99
• 6.3.3 计算模型99
• 6.3.4 计算结果99-101
• 6.3.4.1 正常蓄水位稳定渗流期计算结果99
• 6.3.4.2 库水位降落非稳定渗流期计算结果99-101
• 6.3.5 成果分析101-102
• 6.4 稳定计算102-106
• 6.4.1 计算参数102-103
• 6.4.2 计算方法103
• 6.4.3 计算模型103-104
• 6.4.4 计算结果104-106
• 6.4.5 成果分析106
• 6.5 各坝型方案计算成果对比分析106
• 6.6 本章小结106-107
• 第七章 结论与展望107-110
• 7.1 结论及建议107-108
• 7.2 本文创新之处108-109
• 7.3 展望109-110
• 参考文献110-115
• 致谢115-116
• 作者简介116

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  本文关键词：亭口反调节水库土石坝渗流与稳定数值分析研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：355018