›› 2011, Vol. 32 ›› Issue (S2): 562-567.

• 岩土工程研究 • 上一篇    下一篇

堆石坝非达西渗流场分析

许 凯1,雷学文1,孟庆山2,梁 鹏3   

  1. 1. 武汉科技大学 城市建设学院,武汉 430065;2. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,武汉 430071; 3. 武汉市建筑设计院,武汉 430014
  • 收稿日期:2010-10-30 出版日期:2011-08-10 发布日期:2011-08-26
  • 作者简介:许凯,男,1975年生,博士,讲师,主要从事计算力学的教学与研究工作
  • 基金资助:
    国家自然科学基金青年基金项目(No. 40902092)

Study of non-Darcy seepage fields of rockfill dams

XU Kai1, LEI Xue-wen1, MENG Qing-shan2, LIANG Peng3   

  1. 1. College of Urban Construction, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China; 2. State Key Laboratory of Geomechanics and Getechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China; 3. Wuhan Architectural Design Institute, Wuhan 430014, China
  • Received:2010-10-30 Online:2011-08-10 Published:2011-08-26

摘要: 坝体的渗流计算常采用近似的线性渗流计算方法,然而对于堆石结构而言,在高水力梯度的作用下,由于流体惯性力与紊流的影响,水力梯度与渗流流速之间偏离了线性的达西定律,堆石体中不同孔隙介质的交界面错综复杂更增加了渗流场形态的复杂性。此时,使用非达西渗流的计算方法,可以提高渗流计算的精度,更加客观地描述渗流场中的渗流行为。基于伽辽金加权余量法推演了Forchheimer方程的非线性有限单元法公式,应用该方法对堆石坝渗流场问题进行了数值模拟计算,并给出了工程实例。研究表明,用该方法可以很好地研究渗流场中的非达西渗流现象。对比达西渗流计算与非达西渗流计算结果之间的差异,得出了非达西渗流计算的意义。对堆石坝结构而言,非达西渗流计算的结构显示渗流场的局部区域可能出现高水力坡降区域扩散的现象。此外,水力坡降峰值对比达西渗流计算结果有所增大,这说明真实渗流场的水力坡降峰值有可能超出材料的临界水力坡降允许值,从而引起坝体的渗透破坏。

关键词: 堆石坝, 非达西渗流, Forchheimer方程, 数值分析

Abstract: The linear approximation method is frequently adopted in the calculation of dam seepage fields. For the rockfill structures, however, the relationship between hydraulic gradient and bulk velocity deviates from the linearity at higher hydraulic gradients due to the presence of combined inertial and turbulence effects; and the complex interface between different porous media in the seepage fields is another issue that adds to the complexity of flow through most rockfill structures. Therefore, it needs to improve precision and objectivity for the description of the seepage behaviors by the application of non-Darcy flow theory. A nonlinear finite element formulation based on Forchheimer equation is established by using the method of Galerkin weighted residuals; and the numerical simulations of seepage flow in rockfill dam are developed by using the method. The study shows the numerical simulation model based on non-Darcy flow equation can be an effective approach to the research on non-Darcy flow behavior. With the comparison of the two solutions by using Darcy method and non-Darcy method, significance of non-Darcy flow analysis method in such projects has been indicated. As to rockfill dam, calculation results by non-Darcy method show that the diffusion of high hydraulic gradient can appear in the local region of the seepage field; and the results also show that maximum value of hydraulic gradient somewhat increased compared with that in the linear calculation method. It means maximum value of hydraulic gradient can exceed the critical value in real seepage field; and it may possibly cause the seepage failure of the dam.

Key words: rockfill dam, non-Darcy seepage flow, Forchheimer equation, numerical analysis

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