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深厚覆盖层地基防渗排水设施对渗流场影响的数值分析

作　者: 白勇
导　师: 柴军瑞
学　校: 西安理工大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 深厚覆盖层渗流场有限元法防渗体系定量分析
分类号: TV223.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

河谷深厚覆盖层地基给水利水电工程的建设带来不少困难,在这类地基上修建水工建筑物时,与此相关的渗漏量控制、渗透稳定性、不均匀沉陷及砂土液化等问题较为突出。对工程整体安全构成威胁的诸因素中,渗流破坏是主要原因之一。目前,建在有限深透水地基上的坝(闸)渗流控制原理、方法、技术的研究已日趋完善,但对无限深透水地基或较深厚的覆盖层地基渗流控制问题,仍有待进一步研究。本文正是基于以上考虑,针对深厚覆盖层地基,研究在该类地基上建坝的主要防渗及排渗措施,开发适于计算该类地基渗流场的二维及三维有限元程序,并将开发的程序应用到了某一工程实例。主要内容及研究成果如下：(1)总结深厚覆盖层地基上建坝的主要防渗及排渗措施。按照防渗和排渗相结合,反滤层保护渗流出口的渗流控制原理,较系统地阐述了深厚覆盖层基础的防渗处理措施、各种措施的适用范围以及工程实际应用情况。(2)编写计算深厚覆盖层地基渗流场的二维有限元程序。给出常规三角形单元及四边形等参元计算渗流场的有限元格式,编制相应的程序进行两种单元的对比分析。从计算结果可以看出,四边形等参单元具有更高的求解精度。(3)对浸润线(自由面)的求解方法进行研究和分析。推导单元渗透矩阵调整法求解自由面的有限元计算格式,编制相应的程序实现了无压渗流的求解。(4)编写计算深厚覆盖层地基渗流场的三维有限元程序。给出八结点六面体等参单元计算渗流场的有限元格式,改进了三维渗流要素的求解方法,编制相应的程序定量分析建在深覆盖层地基上的某一工程算例。(5)对建在深厚覆盖层地基上的某水利枢纽工程进行三维有限元渗流场计算,拟定四种工况进行对比分析。计算结果表明,解决深覆盖层地基渗流问题的最有效办法是彻底封闭地层；坝体下游排渗措施可以有效的降低坝体浸润线；垂直防渗不能完全封闭覆盖层的情况下,地层的透水性对渗漏量起着控制作用；对于砂砾石料碾压填筑的坝体,可以不考虑砂砾石渗透各向异性对渗流计算的影响。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-15
  1.1 研究的背景及意义  8-10
  1.2 渗流理论发展概况  10-12
    1.2.1 基础渗流理论  10
    1.2.2 稳定渗流理论  10
    1.2.3 非稳定渗流理论  10-11
    1.2.4 数值计算理论  11-12
  1.3 深厚覆盖层基础上建坝研究概况  12-14
  1.4 本文的研究目的和主要内容  14-15
2 深厚覆盖层地基上建坝渗流控制  15-24
  2.1 渗流控制理论  15-16
    2.1.1 以防为主阶段  15-16
    2.1.2 防排结合阶段  16
    2.1.3 明确反滤层保护渗流出口阶段  16
  2.2 渗流控制措施  16-23
    2.2.1 水平铺盖  17-18
    2.2.2 垂直防渗措施  18-22
    2.2.3 排渗减压措施  22
    2.2.4 反滤措施  22-23
    2.2.5 联合防渗  23
  2.3 本章小结  23-24
3 深厚覆盖层地基二维渗流场有限元分析  24-45
  3.1 基本方程及定解条件  24-25
  3.2 采用三角形单元计算渗流场  25-35
    3.2.1 单元剖分及插值函数  25-26
    3.2.2 形成单元渗透矩阵  26-28
    3.2.3 组合总体渗透矩阵  28
    3.2.4 线性方程组的求解  28
    3.2.5 单元渗透矩阵调整法求解渗流自由面  28-29
    3.2.6 计算渗流要素  29-31
    3.2.7 程序框图  31-32
    3.2.8 程序验证及算例分析  32-35
  3.3 等参四边形单元计算渗流场  35-41
    3.3.1 单元剖分及插值函数  35
    3.3.2 建立单元渗透矩阵  35-38
    3.3.3 组合总体渗透矩阵  38-39
    3.3.4 程序验证及算例分析  39-41
  3.4 工程算例  41-44
    3.4.1 计算模型  42-43
    3.4.2 计算结果及分析  43-44
  3.5 本章小结  44-45
4 深厚覆盖层地基三维渗流场有限元分析  45-57
  4.1 基本方程及定解条件  45
  4.2 单元剖分及插值函数  45-46
  4.3 建立单元渗透矩阵  46-49
  4.4 组合总体渗透矩阵  49
  4.5 计算渗流要素  49-53
    4.5.1 渗流量的计算  49-51
    4.5.2 内插法矩阵计算水力坡降  51-53
  4.6 程序验证及算例分析  53-56
  4.7 本章小结  56-57
5 工程应用  57-75
  5.1 工程概况  57-58
  5.2 坝址区工程地质概况  58-59
  5.3 坝体结构  59-61
  5.4 有限元模型  61-63
  5.5 深覆盖层地基渗流场有限元分析  63-74
    5.5.1 坝基垂直防渗深度对渗流场的影响  63-66
    5.5.2 坝体下游排水设施对渗流场的影响  66-69
    5.5.3 坝基覆盖层透水性对渗流场的影响  69-72
    5.5.4 坝壳砂砾石料渗透各向异性对渗流场的影响  72-74
  5.6 本章小结  74-75
6 结论与展望  75-77
  6.1 本文主要研究成果  75-76
  6.2 有待进一步研究的内容  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-82
附录  82

深厚覆盖层地基防渗排水设施对渗流场影响的数值分析

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