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有限元法在圍壩滲流計算中的應用
摘要:滲透破壞是堤防工程中普遍存在且較難處理的問題。在山東省濟南市東湖水庫圍壩防滲設計中,我們根據(jù)當?shù)赝亮?、地質情況擬定了壩體截滲與壩基垂直截滲結合的防滲技術。兩種防滲技術材料不同、結構不同,怎樣計算才能反映工程實際情況,我們進行了調查分析,最后采用有限元法進行了土壩滲流計算,取得了較好的效果。
關鍵詞:有限元 圍壩 滲流 應用
1.工程概況
東湖水庫位于濟南市章丘市高官寨鎮(zhèn)和歷城區(qū)遙墻鎮(zhèn),由圍壩、入庫泵站、出庫泵站、泄水閘、截滲溝等組成,是濟南市東湖供水工程的調蓄水庫。水庫總庫容5800萬m3,占地6.7km2,平均蓄水深6.6m,圍壩總長9.1km,最大壩高9.2m。東湖水庫建成后可大大緩解濟南市東部地區(qū)供水緊張狀況,為經濟社會發(fā)展提供可靠保障,并改善該地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況。
2.壩體防滲設計
為了使水庫工程經濟合理,筑壩土料采用庫區(qū)內取土,可取土面積4.67千米?主要為粉砂、壤土、砂壤土及少量裂隙黏土。為盡量利用料場砂壤土、粉砂土,并且保證大壩安全,擬在壩體浸潤線以上2m用粉砂及砂壤土筑壩。根據(jù)砂壤土、粉砂土黏性含量低,遇水液化、塌坡、失水松散、遇風易被揚起等特點,將砂壤土、粉砂土內包,四周用壤土保護。圍壩上游護坡采用14cm厚混凝土預制板,下鋪500g,復合土工膜一層,再向下鋪設10cm厚的中砂墊層。
3.壩基防滲設計
東湖水庫壩基地層為第四系土,從上到下主要為粉砂、裂隙黏土、砂壤土、淤泥質黏土、粉砂、壤土夾礓石、黏土夾礓石、砂壤土、粉細砂和壤土夾礓石,共10層。第6層壤土夾礓石埋深為10~18m,滲透系數(shù)為10-5cm/s,分布連續(xù),工程地質條件較好,可視為相對不透水層。根據(jù)東湖水庫工程地質勘察報告,壩基年滲漏量1620萬立方米,占設計庫容的38.6%,滲漏嚴重,必須采取壩基截滲措施。
根據(jù)本工程地基土層分布特點,經方案比較,采用深層攪拌法(水泥土加固法)截滲技術。該方案不僅截滲效果好,而且易施工,不需開槽,直接攪拌成樁,施工速度快,工效高,耐久性好,強度高。加固深度嵌入第6層相對不透水層,且與壩腳處的復合土工膜密切結合,形成完整的防滲體系,達到防滲設計的目的。
4.圍壩滲流計算
?。?)有限元法的原理
有限元法是把連續(xù)體離散化為有限個單元的集合體來進行研究,引用變分原理對研究問題建立模型,推導出近似解的一組方程,最后歸結為求解多階系數(shù)矩陣的線性方程組,以計算機作為工具,并在矩陣分析和數(shù)值方法的基礎上進行所需精度的計算。
?。?)單元格剖分的方法
對無壓滲流求解穩(wěn)定滲流場時,一個麻煩的問題是決定自由面的位置。在實際計算中,一般是先假設一個自由表面的初始位置,然后再進行單元格的剖分。
?。?)計算結果
計算水頭取5.1m,共分為5個區(qū)域,25個結點,29個單元格,根據(jù)軟件要求的格式依次將結點數(shù)、單元數(shù)、區(qū)域數(shù)?每個區(qū)域代表一種土質 等總體信息和上、下游水位,結點坐標,區(qū)域滲透系數(shù)等具體數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)文件,運行有限元程序后,即可得出浸潤線、逸出點、等勢線的位置和滲流量的大小。
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