無限深透水地基上土石壩壩基滲流控制計算方法和防滲措施的研究.pdf

1、我國地質(zhì)條件良好的壩址日趨減少，許多可開發(fā)的壩址都坐落在無限深透水地基上。而對于建在無限深透水地基上的土石壩，到目前為止還沒有提出一套有效的滲流控制計算理論。本論文針對無限深透水地基上土石壩壩基的滲流問題，利用現(xiàn)已被大家廣泛認(rèn)可的數(shù)學(xué)理論、數(shù)值方法對其進(jìn)行較深入和系統(tǒng)的研究，并用滲流試驗(yàn)對理論計算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 數(shù)學(xué)理論方面主要應(yīng)用保角變換理論建立了在無限深透水地基上土石壩壩基采用垂直防滲墻時滲流計算的數(shù)學(xué)模型，通過保角

2、變換將復(fù)雜的壩基輪廓線轉(zhuǎn)化為簡單的線性的水平基礎(chǔ)，推導(dǎo)出無限深透水壩基設(shè)有垂直防滲體時壩基的滲透壓力和滲流量的計算公式，并根據(jù)壩基土的不同特性，推導(dǎo)出壩基下游面反濾層的鋪設(shè)范圍；數(shù)值模型方面主要采用有限單元法對無限深透水壩基的滲流問題進(jìn)行分析，建立起無限深透水壩基和壩體整體的滲流計算模型，計算出各個部位的滲流量和滲透坡降以及壩體浸潤線的位置；此外，應(yīng)用邊界元法分別對壩基采用垂直防滲墻和水平鋪蓋控滲時的滲流問題進(jìn)行建模計算。在理論推導(dǎo)和數(shù)

3、值計算的基礎(chǔ)上，采用砂槽滲流模型試驗(yàn)對無限深透水壩基的滲流問題進(jìn)行進(jìn)一步的分析，驗(yàn)證了理論推導(dǎo)和數(shù)值計算的正確性。同時，本文還設(shè)計了“上防下排”模式下的滲流模型試驗(yàn)，找出壩后地下水位與壩基防滲措施之間的關(guān)系，確定出有效控制下游土壤鹽漬化的防滲體型式。
　　 在上述各種方法相互驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對多組工程實(shí)例進(jìn)行計算發(fā)現(xiàn)：無限深透水壩基采用土工膜水平鋪蓋防滲時水平鋪蓋存在有效長度，該長度大約為壩前水頭的22-30 倍，當(dāng)壩基采用垂直防

4、滲墻同樣也存在一個有效深度，該深度大約是壩前水頭的11-15 倍左右，當(dāng)防滲體達(dá)到有效長度或深度后，壩基的滲流量就會趨于穩(wěn)定，再加大防滲體的尺寸在控滲方面效果不明顯；垂直防滲體和水平防滲體防滲效果的對比發(fā)現(xiàn)，二者存在著一定的數(shù)量關(guān)系，垂直防滲體的防滲效果大約是水平防滲體的1.5-3.5 倍；此外還發(fā)現(xiàn)垂直防滲體位置改變會引起壩基輪廓滲徑的變化，從而影響著壩基平均滲透坡降和滲流量的大小，垂直防滲墻的最佳位置應(yīng)該位于大壩底部的上游端部，最不

5、利位置是位于壩基的最中間。
　　 無限深透水壩基下游鋪設(shè)反濾層的范圍與壩體的透水性及壩基的防滲措施密切相關(guān)。當(dāng)壩體不透水時，壩基滲透出逸坡降的最不利點(diǎn)在下游壩坡的坡角點(diǎn)，該點(diǎn)處的滲透出逸坡降為無限大，此時通過延長防滲體的尺寸不能減小該點(diǎn)的坡降值，反濾層應(yīng)該從下游坡角點(diǎn)向下游鋪設(shè)；當(dāng)壩體透水而壩基采用懸掛式防滲墻控滲時，出逸坡降的最不利點(diǎn)位于防滲墻與地基面的連接點(diǎn)，該點(diǎn)處的坡降為H/π s（H 為上下游水頭差，s 為防滲墻深度），

6、此時反濾層應(yīng)該從連接點(diǎn)開始向下游鋪設(shè)。
　　 在土工膜水平鋪蓋有效長度確定的前提下，本文給出了經(jīng)濟(jì)長度的計算方法。通過工程實(shí)例計算發(fā)現(xiàn)，無限深透水壩基上的經(jīng)濟(jì)長度比某些正在運(yùn)行的無限深透水壩基的水平鋪蓋防滲體（按有限深地基設(shè)計往往只有6-8 倍上游水頭）要大很多，說明目前部分用在無限深透水壩基上的水平鋪蓋既不經(jīng)濟(jì)（此處的“經(jīng)濟(jì)”是從減少滲流量角度考慮）也不合理；針對平原區(qū)無限深透水地基上土石壩周圍的次生鹽漬化和沼澤化等生態(tài)環(huán)境問