留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

考虑非饱和渗流的谷幅变形对高拱坝影响分析

辛长虹 赵引

辛长虹,赵引. 考虑非饱和渗流的谷幅变形对高拱坝影响分析[J]. 水利水运工程学报,2021(4):36-45. doi:  10.12170/20210114003
引用本文: 辛长虹,赵引. 考虑非饱和渗流的谷幅变形对高拱坝影响分析[J]. 水利水运工程学报,2021(4):36-45. doi:  10.12170/20210114003
(XIN Changhong, ZHAO Yin. Analysis of the influence of valley width deformation on high arch dam considering unsaturated seepage[J]. Hydro-Science and Engineering, 2021(4): 36-45. (in Chinese)) doi:  10.12170/20210114003
Citation: (XIN Changhong, ZHAO Yin. Analysis of the influence of valley width deformation on high arch dam considering unsaturated seepage[J]. Hydro-Science and Engineering, 2021(4): 36-45. (in Chinese)) doi:  10.12170/20210114003

考虑非饱和渗流的谷幅变形对高拱坝影响分析

doi: 10.12170/20210114003
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51739006)
详细信息
    作者简介:

    辛长虹(1996—),女,山东青岛人,硕士研究生,主要从事复杂环境下高拱坝的安全评估研究。E-mail:xinchanghong1996@163.com

  • 中图分类号: TV311

Analysis of the influence of valley width deformation on high arch dam considering unsaturated seepage

  • 摘要: 蓄水初期谷幅变形对拱坝当前工作性态和长期安全状况的影响是坝工界和学术界面临的新课题。针对我国锦屏一级拱坝蓄水期间出现的谷幅收缩问题,基于非饱和渗流分析理论,采用非线性有限元数值分析方法,通过对裂隙岩体吸湿曲线进行敏感性分析,研究了非饱和渗流过程中的谷幅变形规律,并分析了谷幅变形对大坝位移和应力的影响。结果表明:在非饱和渗流场作用下,两岸边坡向河谷中心变形,且上游比下游的谷幅变形值大。随着水位的升高,谷幅变形值不断增大,当渗流场达到饱和时谷幅收缩值最大。在非饱和渗流过程中坝体位移和应力的分布规律基本保持不变,但随水位的升高坝体最大顺河向位移和最大主压应力略有减小,最大主拉应力略有增加。谷幅收缩对坝体产生挤压作用,导致坝体最大顺河向位移减小,最大主拉应力由坝踵向坝肩上游侧转移,下游面高压应力区向拱冠梁中部扩展,且饱和渗流场对拱坝位移和应力的影响比非饱和渗流场明显,但渗流场作用的谷幅变形对坝体位移和应力的改变有限,不会影响坝体的整体稳定性。
  • 图  1  折减系数与饱和度的关系

    Figure  1.  Relationship between reduction coefficient and saturation

    图  2  饱和度与基质吸力的关系

    Figure  2.  Relationship between saturation and matric suction

    图  3  锦屏一级拱坝有限元网格

    Figure  3.  Finite element mesh of Jinping Ⅰ arch dam

    图  4  锦屏一级拱坝断层及岩脉分布示意

    Figure  4.  Distribution of faults and dikes of dam

    图  5  锦屏一级拱坝防渗帷幕布置

    Figure  5.  Distribution of anti-seepage curtain of dam

    图  6  锦屏一级拱坝边坡剖面位置分布

    Figure  6.  Distribution of slope profile of dam

    图  7  河谷面节点分布

    Figure  7.  Distribution of nodes on valley surface

    图  8  吸湿曲线对谷幅变形的影响

    Figure  8.  Influence of absorption curve on valley width deformation

    图  9  渗流水位对谷幅变形的影响

    Figure  9.  Influence of seepage water level on valley width deformation

    图  10  坝体横河向位移u1

    Figure  10.  Comparison of displacement of dam in x direction

    图  11  坝体顺河向位移u2

    Figure  11.  Comparison of displacement of dam in y direction

    图  12  坝基位移分布

    Figure  12.  Comparison of displacements of dam foundation

    图  13  坝体最大主拉应力σ1

    Figure  13.  Comparison of major principal stress of dam

    图  14  坝体最大主压应力σ3

    Figure  14.  Comparison of minor principal stress of dam

    表  1  材料的物理力学参数

    Table  1.   Physical and mechanical parameters of the material

    材料类型变形模量/GPa泊松比密度/(kg·m−3黏聚力/MPa摩擦系数渗透系数/(m·s−1
    坝体、垫座、防渗帷幕 24.00 0.17 2 400 1.64 1.00 0
    Ⅱ类岩体 26.00 0.20 2 700 2.00 1.35 2.78×10−10
    Ⅲ1类岩体 11.50 0.25 2 700 1.50 1.07 1.68×10−10
    Ⅲ2类岩体 6.50 0.28 2 700 0.90 1.02 5.79×10−9
    F5、F8、F42-9 0.40 0.38 1 900 0.02 0.30 2.27×10−6
    F13、F14 0.40 0.38 1 900 0.02 0.30 4.83×10−7
    FX 6.50 0.28 2 700 0.90 1.02 2.27×10−6
    下载: 导出CSV

    表  2  计算工况及荷载组合

    Table  2.   Calculation cases and load combinations

    计算工况地应力静水压力自重温降荷载渗流状态渗流水位/m
    1 无渗流 \
    2-H1 非饱和 ▽1 710
    2-H2 非饱和 ▽1 800
    2-H3 非饱和 ▽1 840
    2-H4 非饱和 ▽1 880
    3 饱和 ▽1 880
    下载: 导出CSV

    表  3  典型谷幅测线位移监测值与计算值对比

    Table  3.   Monitoring and calculated transverse displacement of valley width measuring lines 单位:cm

    谷幅测线位移监测值位移计算值
    m=0.1m=0.2m=0.3m=0.4m=0.5m=0.6m=0.7m=0.8m=0.9
    PDJ1-2~TPL19 −1.62 −8.01 −6.57 −5.10 −3.63 −2.15 −0.76 0.40 1.03 1.06
    TP11~TPL5 −0.96 −7.36 −5.79 −4.32 −2.85 −1.42 −0.12 0.88 1.33 1.28
    PD21-3~PD42-2 −0.76 −5.45 −4.23 −3.17 −2.13 −1.12 −0.20 0.49 0.74 0.57
    下载: 导出CSV

    表  4  坝体应力计算结果

    Table  4.   Calculation results of stress of dam

    工况最大主拉应力/MPa最大主拉应力位置最大主压应力/MPa最大主压应力位置
    12.15右拱端上游面、▽1 615 m18.10左拱端下游面、▽1 680 m
    2-H41.50左拱端上游面、▽1 830 m17.64左拱端下游面、▽1 740 m
    31.54左拱端上游面、▽1 820 m17.02左拱端下游面、▽1 740 m
    下载: 导出CSV
  • [1] 杨杰, 胡德秀, 关文海. 李家峡拱坝左岸高边坡岩体变位与安全性态分析[J]. 岩石力学与工程学报,2005,24(19):3551-3560. (YANG Jie, HU Dexiu, GUAN Wenhai. Analysis of high slope rock deformation and safety performance for left bank of Lijiaxia arch dam[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(19): 3551-3560. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1000-6915.2005.19.025
    [2] 杨强, 潘元炜, 程立, 等. 蓄水期边坡及地基变形对高拱坝的影响[J]. 岩石力学与工程学报,2015,34(增刊2):3979-3986. (YANG Qiang, PAN Yuanwei, CHENG Li, et al. Impounding influence of slope and foundation deformation on high arch dam[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(Suppl2): 3979-3986. (in Chinese)
    [3] 杨学超, 高克静, 赵文光, 等. 谷幅收缩变形对溪洛渡拱坝的安全影响分析[J]. 水利与建筑工程学报,2018,16(1):72-78. (YANG Xuechao, GAO Kejing, ZHAO Wenguang, et al. Influence of valley deformation on safety of Xiluodu arch dam[J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering, 2018, 16(1): 72-78. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1672-1144.2018.01.013
    [4] 钟大宁, 刘耀儒, 杨强, 等. 白鹤滩拱坝谷幅变形预测及不同计算方法变形机制研究[J]. 岩土工程学报,2019,41(8):1455-1463. (ZHONG Daning, LIU Yaoru, YANG Qiang, et al. Prediction of deformation of valley width of Baihetan arch dam and deformation mechanisms of several methods[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2019, 41(8): 1455-1463. (in Chinese)
    [5] 胡江. 特高拱坝运行初期变形监测预报模型及构建方法[J]. 水利水运工程学报,2020(5):63-71. (HU Jiang. Deformation forecasting model and its modeling method of super high arch dams during initial operation periods[J]. Hydro-Science and Engineering, 2020(5): 63-71. (in Chinese)
    [6] 周钟, 张敬, 薛利军. 锦屏一级水电站左岸边坡变形对拱坝安全的影响[J]. 人民长江,2017,48(2):49-54. (ZHOU Zhong, ZHANG Jing, XUE Lijun. Effect of left abutment slope deformation on arch dam safety of Jinping I Hydropower Station[J]. Yangtze River, 2017, 48(2): 49-54. (in Chinese)
    [7] 程立, 刘耀儒, 潘元炜, 等. 锦屏一级拱坝左岸边坡长期变形对坝体影响研究[J]. 岩石力学与工程学报,2016,35(增刊2):4040-4052. (CHENG Li, LIU Yaoru, PAN Yuanwei, et al. Research on influence of left bank slope's long-term deformation on dam body for Jinping I arch dam[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(Suppl2): 4040-4052. (in Chinese)
    [8] 张冲, 王仁坤, 汤雪娟. 溪洛渡特高拱坝蓄水初期工作状态评价[J]. 水利学报,2016,47(1):85-93. (ZHANG Chong, WANG Renkun, TANG Xuejuan. Safety evaluation of Xiluodu ultra-high arch dam during the initial impoundment period[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016, 47(1): 85-93. (in Chinese)
    [9] 梁国贺, 胡昱, 樊启祥, 等. 溪洛渡高拱坝蓄水期谷幅变形特性与影响因素分析[J]. 水力发电学报,2016,35(9):101-110. (LIANG Guohe, HU Yu, FAN Qixiang, et al. Analysis on valley deformation of Xiluodu high arch dam during impoundment and its influencing factors[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2016, 35(9): 101-110. (in Chinese) doi:  10.11660/slfdxb.20160912
    [10] 张国新, 程恒, 周秋景, 等. 高拱坝蓄水期谷幅时效变形机理分析[J]. 中国科技论文,2019,14(1):77-84. (ZHANG Guoxin, CHENG Heng, ZHOU Qiujing, et al. Analysis of mechanism of valley creep deformation of high arch dam during impoundment[J]. China Sciencepaper, 2019, 14(1): 77-84. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.2095-2783.2019.01.014
    [11] 汤雪娟, 张冲, 王仁坤. 渗流场作用的地基变形对高拱坝结构的影响[J]. 地下空间与工程学报,2016,12(增刊2):645-650. (TANG Xuejuan, ZHANG Chong, WANG Renkun. Analysis on foundation deformation and its effect on of high-arch dam structure considering seepage filed[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2016, 12(Suppl2): 645-650. (in Chinese)
    [12] 杨强, 潘元炜, 程立, 等. 高拱坝谷幅变形机制及非饱和裂隙岩体有效应力原理研究[J]. 岩石力学与工程学报,2015,34(11):2258-2269. (YANG Qiang, PAN Yuanwei, CHENG Li, et al. Mechanism of valley deformation of high arch dam and effective stress principle for unsaturated fractured rock mass[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(11): 2258-2269. (in Chinese)
    [13] 任青文, 张林飞, 沈雷, 等. 考虑非饱和渗流过程的岩体变形规律分析[J]. 岩石力学与工程学报,2018,37(增刊2):4100-4107. (REN Qingwen, ZHANG Linfei, SHEN Lei, et al. Analysis of deformation law of rock mass considering unsaturatedseepage process[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2018, 37(Suppl2): 4100-4107. (in Chinese)
    [14] 王增欣. 土石坝饱和—非饱和渗流的有限元分析及应用[D]. 大连: 大连理工大学, 2010.

    WANG Zengxin. The analysis and application of saturated-unsaturated seepage finite element about embankment dams[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2010. (in Chinese)
    [15] 仇苏皖, 崔伟杰, 李振, 等. 边坡变形影响下锦屏一级拱坝安全性分析[J]. 水电能源科学,2015,33(7):71-75. (QIU Suwan, CUI Weijie, LI Zhen, et al. Safety evaluation of Jinping I-level high arch dam under deformation of slope at left bank[J]. Water Resoures and Power, 2015, 33(7): 71-75. (in Chinese)
    [16] 潘元炜. 蓄水期和运行期库盆变形机制及对高拱坝安全的影响[D]. 北京: 清华大学, 2015.

    PAN Yuanwei. Reservoir deformation mechanism during impoundment and operationand its influence to safety of high arch dam[D]. Beijing: Tsinghua University, 2015. (in Chinese)
  • [1] 赵二峰, 顾冲时.  特高拱坝结构性态诊断与监控方法述评 . 水利水运工程学报, 2023, (1): 0-10. doi: 10.12170/20211203005
    [2] 王文娟, 纪丁愈, 李云祯.  特高拱坝施工期谷幅变形演化规律 . 水利水运工程学报, 2022, (3): 82-89. doi: 10.12170/20210426001
    [3] 王子成, 许后磊, 赵志勇, 张礼兵, 陈豪, 陈亚军, 徐智勇.  特高拱坝动态安全风险分析系统研发及应用 . 水利水运工程学报, 2020, (1): 112-118. doi: 10.12170/20181201002
    [4] 胡江.  特高拱坝运行初期变形监测预报模型及构建方法 . 水利水运工程学报, 2020, (5): 63-71. doi: 10.12170/20190908001
    [5] 林国财, 谢兴华, 阮怀宁, 朱珍德, 卢斌, 徐晨城, 路晓刚.  降雨入渗边坡非饱和渗流过程及稳定性变化研究 . 水利水运工程学报, 2019, (3): 95-102. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.03.012
    [6] 刘星志, 吴悦, 潘诗婷, 刘小文, 谷明晗.  颗粒级配对非饱和红土土-水特征曲线的影响 . 水利水运工程学报, 2018, (5): 103-110. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.05.015
    [7] 张信贵, 许胜才, 易念平.  基于流固耦合理论的饱和-非饱和土开挖边坡稳定性分析 . 水利水运工程学报, 2016, (3): 10-19.
    [8] 谷艳昌,何鲜峰,郑东健.  基于蒙特卡罗方法的高拱坝变形监控指标拟定 . 水利水运工程学报, 2008, (1): 14-19.
    [9] 陈爱玖,章青,刘仲秋.  高拱坝抗震理论分析进展 . 水利水运工程学报, 2006, (4): 67-73.
    [10] 沈珠江.  非饱和土简化固结理论及其应用 . 水利水运工程学报, 2003, (4): 1-6.
    [11] 韦立德,徐卫亚,邵建富.  饱和非饱和岩石损伤软化统计本构模型 . 水利水运工程学报, 2003, (2): 12-17.
    [12] 刘洁,毛昶熙.  堤坝饱和与非饱和渗流计算的有限单元法 . 水利水运工程学报, 1997, (3): -.
    [13] 杨代泉,沈珠江.  非饱和土孔隙压力系数研究 . 水利水运工程学报, 1992, (3): -.
    [14] 杨代泉,沈珠江.  非饱和土一维广义固结的数值计算 . 水利水运工程学报, 1991, (4): -.
    [15] 王正臬.  高坝泄洪道的幂函数反弧曲线 . 水利水运工程学报, 1987, (3): -.
    [16] 郭家禄,施萍.  非饱和粘性土的动力特性 . 水利水运工程学报, 1987, (3): -.
    [17] 吴良骥.  非饱和区对地下水埋藏很深井孔入渗的影响 . 水利水运工程学报, 1986, (3): -.
    [18] 吴良骥,G·L·Bloomaburg.  饱和—非饱和区中渗流问题的数值模型 . 水利水运工程学报, 1985, (2): -.
    [19] 刘曼聆,丁道扬.  高溢流坝坝顶下游曲线的研究 . 水利水运工程学报, 1979, (1): -.
    [20] 刘曼聆,丁道扬.  高溢流坝坝顶上游曲线的研究 . 水利水运工程学报, 1979, (1): -.
  • 加载中
图(14) / 表 (4)
计量
  • 文章访问数:  140
  • HTML全文浏览量:  33
  • PDF下载量:  21
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-14
  • 网络出版日期:  2021-05-15
  • 刊出日期:  2021-08-15

/

返回文章
返回