【精品】渗流计算(水利相关专业毕业设计).docx

工程概况某水电站是一座以发电为主的引水式电站，为九龙河流域梯级电站的第五级九龙 河流域河源海拔4360m,河口 1524.3m流域面积3604km2,自河源至河口，河道长132km, 河道平均比降21.5%某水电站共装3台110MW水轮发电机组，总装机330MWo电站正常蓄水位 1797.00m,相应原始库容133万根据电站规模，木工程为大（2）型二等工程，引 水系统和发电厂房为2级建筑物；挡水、泄水和发电进水口等主要建筑物按3级建筑物 设计拦河坝为混凝土闸坝，首部枢纽由冲沙闸、泄洪闸、排污道、取水口及左右岸挡 水坝段组成，坝顶高程1799.50m为保持原河道的走势和泄流、冲沙顺畅，主耍泄水建筑物泄洪闸、冲沙闸布置于河 床主流上电站取水口布置于左岸，在取水口下游设置一孔冲沙闸，冲沙闸右侧布置二 孔泄洪闸，形成“侧向取水，正向泄洪、排沙”的布置型式排污闸紧邻冲沙闸左侧布 置，为开敞式溢流坝型式，其堰顶高程为1795m,闸宽2.5m,溢流坝面末端与护坦相 接闸址区出露地层主要为二叠系下统甲黄沟群（Pijh）和第四系冲洪积、冲湖积、崩 坡积地层二叠系下统甲黄沟群（Pijh）岩性为深灰色黑云母石英片岩，中厚层状，总 厚度1600余米，主要分布于闸址区两岸及河谷底部。

第四系全新统（QJ,主要由冲洪 积、冲湖积、崩坡积组成，主耍分布丁•现代河床及右岸台地区，最人厚度109.2mo按岩 性和分布特征分为五大层：第①层为崩坡积碎石土：分布于闸址区左岸坡脚高程 1775.6〜1785m以上及右岸宽缓平台后缘高程1797〜1800m以上，左岸厚度一般 2.9〜18.6m,右岸一般厚3~12.9m以碎石为主，左岸含块石较多，大者1〜2 m,粉、粘 粒含量较小，右岸含个别块石，粉、粘粒含量高，结构松散；第②层为漂（块）卵（碎） 石:左岸厚7.5〜29.8m,河床厚13.2~27.5m,右岸厚26.34~43.82m,层底面高程 1747.69〜1778.83m上闸址地层较为均一，下闸址夹有砂及含砾粉土透镜体夹层，主要 夹层有：②・2中细砂夹层分布规模最大，埋深1.2〜32m,厚0.4〜10m,顶板高程 1771.41〜1790.75m,底板高程1768.78〜1788.50m；②・1含砾砂质粉土夹层仅右岸ZK22、 ZK43孔揭露,埋深12.9〜21.5m,厚8・2〜8・3m,顶板高程1789.32〜1802.54m,底板高程 1781.02~1794.34m；②・3泥质粉砂仅下闸址右岸ZK40、ZK43孔揭露，埋深11.4〜35.2m, 厚1.3〜2.2m；第③层为砂质粉土:左岸厚1.15〜36.2m,河床厚10.5〜71.65m,右岸厚 12.8〜66.3m,层底面高程169463〜1755.96m。

下闸址夹有③・1层粉质粘土夹层，埋深 37~83.9m,厚1〜3.95m粉粒含量较高，粘粒含量一般小于10%,局部粘粒、砂粒含量 较高，含少量有机质，结构呈中密状；第④层为卵（碎）砂砾：分布于古河床，下闸址 ZK15、ZK20 孔揭露埋深 108.l~109.2m，厚 11 〜15.3m,层底面高程 1680.47〜1684.68m 第⑤层为卵（碎）石：为古河道两岸阶地堆积物，下闸址ZK11、ZK18、ZK34孔揭露 埋深49.8-88.lm，厚8.4〜26m,层底面高程1707.90〜1726.91m上闸址勘探未揭示到该 层闸址地下水主要为第四系孔隙性潜水和基岩裂隙水，左坝头地下水位高程 1779〜1781m,右岸堆积台地区地下水位高程1777.3〜1781m,右坝头地下水位高程 1781〜1797m闸址5孔30段压水试验表明，坝基岩体透水率为0.15Lu~35.12Lu ,其 中大于10Lu的中等透水性共有3段，分布于埋藏阶地下部，小于5Lu ffl对隔水层基岩 面以卜•厚度0~23m,左岸为2~12m,河谷段为（）〜17m,右岸为0~232j 4jI u u 7] 8] 9j \某水电站上游立视图2计算目的和任务某水电站闸坝基础覆盖层深厚，最大深度达约110m；覆盖层分层明显，床质为第 四系冲洪积、冲湖积、崩坡积地层，属中等〜强透水层，且冇较深厚的砂质粉土和粉质 粘土层，各层的渗透性差异较大，其渗透稳定性较差。

为了解闸坝基础覆盖层和两岸非 溢流坝段基础的渗透特性，防渗措施经济合理性，确保防渗结构的冇效可靠，拟进行闸 坝基础二维渗流分析计算木次计算拟对闸坝基础的渗流问题进行数值计算，具体内容如下：(1) 比较齐种防渗方案，包括无防渗墙、垂直防渗方案小各种防渗墙长度方案的优 缺点及对本工程的适用性；(2) 在计算工况下，对设计的防渗体进行计算和分析，包括渗流稳定、渗流量和渗 透压力等；(3) 进行齐防渗体尺寸和结构型式的优化计算，包括垂直防渗深度、位置等，并分 析悬挂式防渗墙的可行性3基础资料分析和计算所需的基本资料如F：(1) 某水电站地质报告；(2) 某水电站河床覆盖层各层渗透稳定允许坡降值;(3) 某水电站河床床质分层剖而图；(4) 闸坝段基础及下部防渗措施布置图4渗流计算模型简介4.1控制方程描述多孔介质水流运动的微分方程可写成下式:別 _ d dhS~dt~~sx~^ a”其中:Ss 贮水系数，［Ljh 水头，［L］岛 水力传导系数张量，［L/T］（渗透系数）Xj Cartesian 坐标，［L］qs 源或汇项，［1/T］若水头力已知，则真实渗流速度或线性孔隙速度可由下式定义:“ ex」其中n为介质的孔隙率。

水力传导系数张量在3维和2维情况下分别有9个和4个分量但是目前大多数地 下水模型如MODFLOW等仅考虑了其中的3个（3维）和2个（2维），并假定水力传 导系数张量主方向分量，心，与X,坐标轴一致，此时非主方向分量,Kg变为零 事实上，也有很多工程事例的K场呈现出各向界性特点，使得K”•不为零若方程（1） 小的必须考虑时，在进行数值离散时很容易出现离散系数矩阵兀素为负值的现象， 从而使得“对角元素占优”条件很难满足，求解变得困难，结果不尽合理为了解决这 一问题，我们首次提出了 “旋转控制体”法，并实施于IGW软件中也就是说，IGW 可以进行具有各向异性K场的地下水流动和运移的模拟计算沿深度方向对方程（1）积分，可得到地下水流动的深度平均方程，即常用的2维方 程：S — = （T.. ） + Q , i = 1,2; = 1,2dt lJ dx/ s ，J ，其中：S 深度平均贮水系数h 深度平均水头Tij导水系数张量(4个分量)Xi Cartesian 坐标Qs 源或汇项方程(3)为IGW采用的2维模型的控制方程对各向异性K场，仅需给定第一主方 向的水力传导系数，K.，另一主方向的水力传导系数，K,则通过给定的各向异性 系数求岀。

当K寫与X,坐标轴不一致时，可由给定的各向异性方向角，0,计算张量 心的其余两个分量EbKb计算K”•的公式为：KI+K*一 cos 202=sin 202 Tfij计算心的转换公式与方程(4)相同4.2网格布置在IGW中的网格布置见图2图3示出了网格节点及其邻近节点的关系图图中的 非节点值采用调和平均进行插值；渗流速度与水力传导系数在网格上错开布置图2 IGW采用的网格布局4.3方程离散格式对控制方程的离散采用有限控制体积法对方程中各项的离散分述如下扩散项：参照图3,应用控制体积法，方程(3)的扩散项可离散为，Diff = AX.vAyy + AXQh ⑸s S其中Je, A-, Jn和Js为通过控制体东、曲、北和南网格面的流量通量，可表示如2u*纟方 E - hp e fl 肚 一 h$exx AX " A/vT • hp 一 I%.1 xx A xz 1 xyhnw ~ hswAXJ _Tn h” _ hp hne - hnwJ n ~ 1 yy A v 十yx\Y严 hp _hs $•叱二 hs、vyy AK yr5整理后，式(5)变为:Diff = + aw^\V aN^N +Qs"s ■" aNE^NE +。

AW 力NW aSE^SE aSW ^S\V ~ ap^p(7)其中，勺即所谓的离散矩阵系数，式中其余符号见图3时间导数项：对于非恒定流动，采用时间后差格式可得该项的离散格式为其中hn+1为新时刻水头值，hn为旧时刻水头值，n ⑼S； =AX^Ys—hn7 At源或汇项：源汇项可以是与水头无关的，比如抽或注水井和降雨入渗；也可以是与水头相关的，如河流和排水系统等一般地，Q可以表示成下式：Q = ajhP + (10)4.4方程求解由方程(7)、(8)和(10),可得方程(3)的离散方程:+ aNE^NE + aNW^NW + aSE^SE + ^SW^SW +(dp + ap + )hp = aEhE + awhw + aNhN + ashs(ID方程(11)为一线性方程组，其小的离散系数矩阵为9对角元素矩阵，可由SOR 迭代方法进行求解IGW中所采用的SOR迭代公式为式(12)：hpk+[ = hpk + ―,—

IGW可处理的边界条件和问题包括：不透水边界、强透水边界、不规则形状区域、河流或湖泊，入渗或蒸发、多层不均匀渗流场、单井或井群以及口J进行任意区域的水量平衡分析等；其强大和友好的实时、互动和可视化界面使参数输入一计算一分析一修改—后处理一最后结果等模拟过程一气呵成5闸坝段基础渗流计算结果及分析本次闸坝段基础渗流计算选取了 7〜8个典型剖面进行计算图5为所选计算剖面， 其设计的防渗布置方案及各地层覆盖层和基岩分布情况也示于图中对各坝段在上游水位为正常蓄水位1797m下游水位1774m运行工况进行了无防渗 墙、防渗墙封闭至基岩(原防渗方案)、防渗墙插入砂质粉土层lm、防渗墙插入砂质粉 土层5m和防渗墙插入砂质粉土层10m等防渗方案的各剖面的渗流模拟计算，各方案的 计算工况和内容列于下表2,其中，9・9剖面仅对防渗墙插入砂质粉土层10m和5m的 防渗方案进行了的计算5.1闸坝基础各防渗方案计算参数覆盖层透水性：本阶段设计院对第②层漂(块)卵(碎)石进行了4段钻孔抽水试 验，平均值渗透系数为7.26X10-2cm/s，属为强透水层；第②・1层泥质粉砂层进行了 1 段的抽水试验，渗透系数为1.67X10%m/s,属中等透水层，第③层砂质粉土，室内试 验渗透系数为2.66X107-6.74X10-5cm/s,属微透水〜极微透水；第③・1层粉质粘土室内 试验渗透系数为1.55X10-6-3.74X10_6cm/s,属微透水。

基岩透水性：据钻孔的压水试验资料，弱风化岩体以弱透水层为主，仅ZK18孔深 51.5~66.5m为中等透水，透水率14.71〜35.12,微风化岩体以微透水为主，局部为弱透 水下闸址区岩。