【摘 要】
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库坝系统作为水利工程的核心部分,承担着蓄水、发电、调洪和灌溉等重要任务,渗流作用对其安全稳定性有着显著影响。数值计算是研究库坝系统不同时期渗流场分布规律的有效手段之一。然而由于部分理论与技术问题未能解决,数值计算结果往往与实际结果存在不同程度的差异。其主要原因包括:渗流场地形建模仿真性差;渗流场模型范围的选取没有明确的计算方法;模型山侧边界水位取值不准确等。解决上述问题进而提高库坝系统渗流场计算精
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库坝系统作为水利工程的核心部分,承担着蓄水、发电、调洪和灌溉等重要任务,渗流作用对其安全稳定性有着显著影响。数值计算是研究库坝系统不同时期渗流场分布规律的有效手段之一。然而由于部分理论与技术问题未能解决,数值计算结果往往与实际结果存在不同程度的差异。其主要原因包括:渗流场地形建模仿真性差;渗流场模型范围的选取没有明确的计算方法;模型山侧边界水位取值不准确等。解决上述问题进而提高库坝系统渗流场计算精度,对水利工程的建设与运行意义重大。本文基于地理信息规划软件、三维建模软件与有限元数值模拟软件,归纳了渗流场复杂地形的建模方法。围绕渗流场模型范围与模型边界水位等方向开展了相关研究,提出了渗流场模型范围确定方法与山侧边界水位修正方法。将上述研究方法应用到抽水蓄能电站的渗流场数值计算中,分析了库坝系统运行期的三维渗流场分布规律。取得的主要研究成果如下:(1)集成地理信息规划软件Omap与ArcGIS、建模软件CATIA与Rhino以及有限元数值计算软件ABAQUS,针对库坝系统渗流场数值模型,提出了有地形等高线(点)与无地形等高线(点)的建模方法。这两种方法可以批量处理高程数据,简单高效地建立地形曲面及地形实体模型。(2)揭示了地下洞室排水对初始地下水位的影响规律,提出了地下洞室群渗流场模型范围的确定方法。基于56座国内外已建电站的统计资料,设计了影响因素的正交试验。通过极差分析与拟合分析确定出地下洞室群模型范围的主要影响因素,定量地分析了各因素的影响程度,推导出各因素与渗流场模型范围的非线性关系。建立关于影响因素的多元回归模型,确定了地下洞室群渗流场模型范围与影响因素之间的函数关系式,在原有研究基础上改进了洞室群渗流场模型范围的计算方法。(3)探究了水库蓄水与地下洞室排水导致库坝系统边界水位发生变化的原因,揭示了水库蓄水和地下洞室排水所引起的地下水位变化对模型山侧边界水位的影响规律。结果表明,忽略水库蓄水会导致边界水位与渗流量结果偏小,而忽略洞室排水则会导致边界水位与渗流量结果偏大等问题。将Dupuit理论与数值计算结合,进一步提出了库坝系统渗流场山侧边界水位的修正方法。(4)基于有地形等高线(点)的建模方法、地下洞室群渗流场模型范围的确定方法与模型边界水位的修正方法,建立了某抽水蓄能电站的三维有限元数值模型。阐明了输水系统与地下厂房的地下水位、渗透压力以及渗流量在运行期不同工况下的变化规律。结果表明,引水系统由钢板衬砌改为混凝土衬砌时,引水系统水量损失、水道系统外水压力与厂房渗流量均增大,压力管道与厂房排水系统将难以起到预期的排水效果。尾水隧洞衬砌开裂后地下水入渗量增大24.3%。此外,当排水孔间隔失效50%时,厂房洞室群渗流量会显著增加221.3%,不利于厂房的稳定。
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