摘 要
当前中国的经济飞速发展，国家对水利行业的投资不断增加，这就使得中国的水利行业不断向前发展，中国对大坝的建设要求也不断增加，标准也越来越高，使得大坝建设需要达到了一个新的高度。但是，当大坝在运行期的时候，经常会遇到一些不确定的因素，出现渗漏和边坡失稳等一系列问题。碾压混凝土的渗流成为了一个重要的研究课题。同时，在碾压混凝土大坝设计的过程中，制定一个比较合理的防渗措施是非常必要的。因此，本文通过对大石涧水库工程碾压混凝土大坝的渗流和变形的研究，能够对水库建设具有重要的意义。
本文通过对大石涧水库右岸在设计水位下和校核洪水位情况下，先利用 ANSYS软件对该碾压混凝土重力坝的典型非溢流坝段进行三维有限元模型构建，然后再加上该碾压混凝土重力坝在设计水位和校核洪水位两种水位工况下进行渗流数值模拟分析，得到一些数据，对大坝是否采取防渗措施来进行大坝的渗流和稳定分析，通过根据建模计算得出一些数据，在这些数据的基础上，来对大石涧水库工程所采取的防渗措施进行整体性分析和评价，对大坝应该采取防渗方案优化提出一些建议，对分析大石涧水库工程起到了一定的指导作用，同时为以后大坝工程建设进行防渗方案设置和安全性分析提供了一定的基本理论知识和参照。主要结论如下所述：
（1）在研究设计水位和校核洪水位两种工况下，渗透水压力迅速折减是发生在设置防渗帷幕的地方。由于碾压混凝土本身具有很好的防渗效果，这就能有效的降低混凝土大坝的扬压力。同时在坝基设置帷幕灌浆也可以有效降低的大坝本身的渗流压力，也相应的降低大坝的扬压力。在分析碾压混凝土右岸在设计洪水位和校核洪水位在稳定渗流的状况下，碾压混凝土的的最大压应力和位移都在合理的范围内。
（2）通过研究大坝在非稳定渗流情况时，大石涧水库碾压混凝土大坝应力和位移变化符合其规定要求，并且它们都在合理的计算范围之中。
通过本文的研究表明大石涧水库工程右岸在设计水位和校核洪水位的情况下，通过对渗流场和变形的分析，现在研究的结果可以为该工程的防渗提供一个合理的防渗方案，为该工程的提供一个参考价值。同时该水库的防渗措施还可以为其他水库的建设提供指导。
关键词： 碾压混凝土坝；渗流分析；稳定；变形；大石涧水库。
ABSTRACT
At present, China's economy is developing at a rapid pace, and the country's investment in the water industry is increasing. This has made China's water conservancy industry continue to develop. China's demand for dam construction is also increasing, and standards are getting higher and higher. Building a dam needs to reach a new height.
However, when the dam is in operation, it often encounters some uncertain factors, which causes a series of problems such as seepage and slope instability. The seepage of RCC has become an important research topic. Therefore, the seepage of RCC has become a popular phenomenon in China. At the same time, in the process of designing RCC dams, it isnecessary to develop a reasonable anti-seepage measure. Therefore, the study of seepage and deformation of RCC dam in Da Shi Jian Reservoir Project can be of great significanceto reservoir construction.
Based on the design of the water level and the check flood level on the right bank of Da Shi Jian Reservoir, this paper firstly constructs a three-dimensional finite element model of the typical non-overflow dam section of the RCC gravity dam by ANSYS software, and then adds the mill. The concrete gravity dam is subjected to numerical simulation analysis of seepage under the two water level conditions of design water level and check flood level,and some data are obtained. Whether the dam is subjected to anti-seepage measures for seepage and stability analysis of the dam, according to modeling Calculate some data. On the basis of these data, the overall analysis and evaluation of the anti-seepage measures adopted by the Da Shi Jian Reservoir Project should be carried out. Some suggestions should be made for the optimization of the dam to prevent the seepage. The project has played a certain guiding role, and at the same time provided some basic theoretical knowledge and reference for the anti-seepage scheme setting and safety analysis of the dam project construction. The main conclusions are as follows:
(1) Under the two conditions of research design water level and check flood level, the rapid reduction of osmotic water pressure occurs in the place where the anti-seepage curtain is installed. Since the RCC itself has a good anti-seepage effect, this can effectively reduce the lifting pressure of the concrete dam. At the same time, the curtain grouting on the dam foundation can also effectively reduce the seepage pressure of the dam itself, and correspondingly reduce the dam pressure. In the analysis of the design flood level and the check flood level in the right bank of the RCC, the maximum compressive stress and displacement of the RCC are within a reasonable range.
(2) By studying the dam's unsteady seepage, the stress and displacement of the RCC dam in Da Shi Jian reservoir meet the requirements of the regulations, and they are allwithin reasonable calculation range.
Through the research in this paper, the analysis of the seepage field and deformation by the analysis of the seepage field and deformation under the condition of designing the water level and checking the flood level on the right bank of the Da Shi Jian reservoir project can provide a reasonable anti-seepage solution for the seepage prevention of the project. Provide a reference value for the project. At the same time, the reservoir's anti-seepage measures can also provide guidance for the construction of other reservoirs.
KEYWORDS: RCC dam; Seepage analysis; Stable; Deformation; Da Shi Jian reservoir。
1 绪论
1.1 研究背景和意义。
随着我国水利工程建设的不断发展，碾压混凝土的施工技术成为了大坝施工的重要技术之一，碾压混凝土施工技术的应用具有很多优势，不仅能够保证大坝施工的工程质量和安全，还能够有效的减少施工成本、施工时间。碾压混凝土坝的出现，很快地在全世界范围内迅速得到了推广。正是由于这些新设备、新材料、新工艺等这些筑坝因素的不断发展，使得碾压混凝土坝在不同地区和不同环境下修建成为了可能[1]。
碾压混凝土坝碾压混凝土的结构特点与一般混凝土的结构特点不同，这就使得碾压混凝土和一般混凝土的渗流特点不同。碾压混凝土大坝蓄水后，上游水体渗透到大坝之中，由于碾压混凝土是薄层碾压而成的，这就使得层面之间之间[2]胶结不好，就会出现相对薄弱面，从而成为大坝的渗水通道，降低了大坝的强度和稳定。碾压混凝土层与层之间结合是坝体防渗的薄弱部位[3],层面结合的好坏影响大坝防渗能力情况的好坏的关键因素。碾压混凝土层面薄弱面可能发展成为渗流通道，成为影响抗滑稳定的关键部位[4]，对碾压混凝土坝强度和安全造成重要影响。我们都知道，在大坝和坝肩之间结合处也是一个非常薄弱的地方，因为在它们之间结合处很容易出现渗漏，从而导致大坝的稳定性被破坏。所以，应该认真了解碾压混凝土坝的渗流原理，从位移和变形这两个方面来研究大坝的渗流现象，从而有利于大坝安全和稳定，防止工程事故的发生。因此，当前在我国水利工程中重要的研究方向就是研究碾压混凝土大坝渗流，并且刻不容缓。希望能够为以后大坝建设防渗提供重要的依据。
规划建设大石涧水库位于渡洋河中上游，坝址位于回春河、南大河交汇处，大石涧村附近，距三门峡市 45km，距陕县约 41km，水库规划为向陕县的店子乡、宫前乡、观音堂镇、西李村乡四个乡镇的 10 万亩农田农业灌溉供水，并可起到拦 洪滞蓄作用。
水库控制流域面积 173km2，设计洪水标准为 50 年一遇，500 年一遇洪水校核。大石涧水库工程为中型水库，总库容 3309 万 m3，兴利库容 2081 万 m3。大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶长度 295.0m。大坝由挡水坝段和溢流坝段组成，共分 14 个坝段，其中泄流坝段 64.0m，左岸挡水坝段 122.5m，右岸挡水坝段 108.5m。坝顶高程 609.9m，坝顶宽 6.0m，大坝建基面高程 541.0m，最大坝高 68.9m。
渡洋河流域地处三门峡市陕县和洛阳市洛宁县，流域内山高沟深，地形起伏较大，耕地面积较少，坝址以上无中小型水库，只有少数用于生活、生产、旅游等的小型蓄引水工程，其耗水量小，对下游年径流和洪水影响很小。规划大石涧灌区灌溉面积 10万亩，其中约 50%面积可利用地下水、河道径流及堰塘蓄水灌溉，但灌溉保证率低，无法满足烟叶种植需要。其余 50%完全无灌溉条件。
目前，地表水资源开发利用率较低。现有中小型水库数量少、水量小，灌溉范围小，其他支流汇水面积均较小，水量有限。从河道水源分析，渡洋河为较大支流，其中陕县境内流域面积 219km2，尚无蓄水工程，上游无污染，水质较好。北部宫前乡、菜园乡、观音堂乡等缺乏灌溉水源，在渡洋河上修建大石涧水库调配水量，可缓解该区域生活和农业的缺水问题。对保障乡镇饮水质量，改善农业生产条件十分必要。
该项目研究的意义在于：大石涧水库建设对影响区的地下水环境改变、坝肩绕渗是工程设计和运行管理两个关键问题。其中，渗流问题对于水库大坝的渗漏和安全稳定的影响较为复杂，其主要方面涉及到坝体和坝基渗流、坝肩的绕渗、水库渗漏[5]等.坝体防渗结构的不合理设计会使得层面具有过大的渗透水量从而影响坝体下游面的美观及耐久性，同时防渗结构设计的不合理还会导致坝基及坝体扬压力大于允许值而威胁到大坝的抗滑稳定[6].本文以大石涧水库的渗流与变形分析为研究内容，重点来研究大石涧水库碾压混凝土渗流的稳定性。当大石涧水库投入生产运行后，渗流情况将不可避免的会出现，所以我们应该将渗流控制在一个合理的使用范围内，只有这样才能有效的保证大石涧水库大坝的安全。本文以大石涧水库的碾压混凝土重力坝为具体工程实例，通过使用 ANSYS 对大坝进行三维有限元建模，研究碾压混凝土大坝和坝肩的渗流特性，为该水库大坝的提供防渗措施，防渗措施的合理选择对工程的安全和投资具有重要的意义。同时，也对大坝所在的工程区周边地下水资源影响十分重要的。通过对大石涧水库渗流和变形分析，能够为以后类似水利工程的建设提供重要的参考，同时也为水利工程学术提供理论价值，拓宽了设计思路。
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1.2 国内外研究现状
1.3 主要研究内容和技术路线
1.3.1 主要研究内容
1.3.2 技术路线
2 大石涧水库大坝工程概况与设计方案
2.1 工程概况
2.2 工程地质条件分析
2.2.1 地形地貌
2.2.2 地层岩性
2.2.3 地质构造
2.2.4 水库库区工程地质问题
2.3 大坝设计方案
2.3.1 设计依据
2.3.2 大坝设计方案
2.4 建筑物选型
2.4.1 坝型选择
3 渗流分析的基本理论和主要方法
3.1 渗流基本理论
3.1.1 渗流基本概念
3.1.2 达西定律
3.1.3 渗流连续方程
3.1.4 渗流基本微分方程
3.2 渗流分析的方法
4 大坝渗流与变形分析
4.1 有限元模型
4.2 计算条件与计算参数
4.2.1 计算条件
4.2.2 计算参数
4.2.3 边界条件
4.3 渗流场计算成果
4.4 应力场与位移场计算成果分析
4.5 大坝稳定性评价
5 大坝右岸在非稳定工况下的渗流与变形
5.1 计算条件与计算参数
5.1.1 计算条件
5.1.2 计算参数
5.2 非稳定渗流场计算成果分析
5.2.1 右岸水位变化对大坝的影响
5.3 应力场与位移场计算成果分析
5.3.1 大坝右岸接合处应力与变形情况
5.4 大坝稳定性评价
6 结论
众所周知，在水利工程中大坝建设之中，大坝能够安全稳定运行非常重要这就需要我们在设计过程中，需要谨慎的去设计，尽可能考虑该考虑的。但是我们会发现渗流稳定对大坝的安全稳定运行造成严重的困扰。所以，我们需要研究渗流稳定对大坝的影响。
目前根据现有的统计，在现有的工程实践当中有很大一部分大坝都存在渗漏问题，还有很多不确定因素，这就使得很多大坝长期存在安全隐患，这些隐患积少成多就会造成严重的人身和财产损失。为了避免此类问题的发生我们需要多渗流进行更深入的研究，重要的是目前现有工程极为迫切需要。本文以大石涧水库碾压混凝土大坝渗流与变形分析为研究课题，构建三维有限元模型，考虑在该水库设计水位和校核洪水位两种水位工况下进行渗流模拟计算，对大石涧水库碾压混凝土坝的稳定、非稳定渗流场和应力、位移场进行了计算分析，到以下几点主要结论：
（1）在利用 ANSYS 软件进行碾压混凝土大坝的三维建模分析时，考虑到设计水位和洪水位两种工况下，得出的应力变形和位移分析符合一般规律。这说明我们所建立的模型能够真实的反应大坝的渗流情况。同时也说明大坝得防渗方案能够满足大坝得渗流要求。因此大坝的安全和稳定能够得到了保障。
（2）通过模拟坝肩的渗流情况得出的一些结论：众所周知碾压混凝土大坝本身对水流渗透性就比较小，再加上在坝基底部设有帷幕灌浆，所以通过大坝坝体的水流就很少，这样大坝所受的渗透压力也就比较小降低了混凝土大坝的扬压力，再加上在坝基底部设有帷幕灌浆，这样就更能够减少渗流压力，帷幕灌浆前和帷幕灌浆后所受的渗透压力明显不一样，说明设置帷幕灌浆的能够有效减少渗透压力。
致 谢
参考文献
