坝基帷幕防渗性能衰减的数值模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种坝基帷幕防渗性能衰减的数值模拟方法，该方法以易发生溶解且作为帷幕主要组成的Ca(OH)2作为目标组分，首先根据待模拟坝基的实际物理参数设置边界条件，然后将待模拟时段划分为多个子时段，计算每个子时段的渗流速度、孔隙度、目标组分浓度、渗透系数、弥散系数以及溶解速率，从而研究其溶解引起的帷幕防渗性能变化，以及由此引起的幕后渗流、离子浓度等的时空演变。本发明专利技术可以较好地反映帷幕孔隙度等细观结构的变化，并可以预测由帷幕引起的坝基渗流、离子浓度等的变化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种坝基帷幕防渗性能衰减的数值模拟方法，属于大坝安全监测

技术介绍
帷幕作为坝基防渗体系的重要组成部分，对大坝安全运行及防渗起着极其重要的作用。水利工程中有众多事故是由渗流所引发的，统计结果表明我国1981年241座大型水库的100宗事故中，由渗流问题而导致水库失事的占到30％～40％左右。因此，坝基帷幕的防渗问题得到越来越广泛的重视。目前对帷幕防渗的研究主要集中在以下两个方面：(1)帷幕不同性态参数条件下对坝基渗流的影响：如通过数值模拟手段研究坝基帷幕不同深度、厚度、位置等因素对防渗效果的影响，以及通过建立帷幕随机缺损的数学模型模拟防渗体缺损大小、分布随机性对渗流场的影响；(2)对帷幕防渗效果及其耐久性进行评价：如通过单一指标，如水质等微观效应量，基于水化学图示法、饱和指数模型等方法对不同时期的帷幕防渗性能进行评价，以及通过建立幕后地下水位、排水量、扬压力等宏观指标和坝基地下水温度、pH值及其他水化学特征等微观指标相结合的多指标评价体系进行评价。但申请人检索发现，目前对水库运行过程中帷幕防渗性能衰减的研究还较为少见，尤其是考虑帷幕中水泥结石等组分的溶失对帷幕细观结构的改变等还未涉及。
技术实现思路
本专利技术要解决技术问题是：提供一种模拟大坝基础帷幕防渗性能衰减的方法，该方法可以为大坝的安全运行和维护提供依据从而减少因渗流引起的水坝失事事故。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案是：一种坝基帷幕防渗性能衰减的数值模拟方法，包括以下步骤：1)根据待模拟的坝基的实际物理参数设置边界条件，并得到模拟前所述坝基的渗流速度U0、孔隙度θ0、目标组分浓度C0、渗透系数K0、弥散系数D0以及溶解速率R0；所述坝基包括基岩和帷幕两部分,所述目标组分浓度包括钙离子浓度和氢氧根离子浓度。如何设置边界条件为现有技术，本领域技术人员在看到坝基的实际物理参数后可以很容易地得到边界条件，不再赘述。2)根据步骤1)设置的边界条件，建立渗流方程、溶质迁移方程和固相介质时变方程；所述渗流方程为：∂∂x(K∂H∂x)+∂∂y(K∂H∂y)=μ∂H∂t]]>式中，H为水头，K为渗透系数，t为时间参数，μ为给水度，x、y分别为坝基的横坐标、纵坐标；所述溶质迁移方程为：∂(θC)∂t=∂∂x[DL∂(θC)∂x]+∂∂y[DT∂(θC)∂y]-∂(uxθC)∂x-∂(uyθC)∂y+θ·R]]>式中，R为可溶组分的溶解速率，C为目标组分浓度；渗流速度U分解为水平方向的渗流速度ux和垂直方向的渗流速度uy；θ为孔隙度；弥散系数D分解为纵向弥散系数DT和横向弥散系数DL；x、y分别为坝基的横坐标、纵坐标；t为时间参数；所述固相介质时变方程为：∂θ∂t=R·M·θ]]>式中，M为Ca(OH)2的摩尔体积，R为可溶组分的溶解速率，θ为孔隙度，t为时间参数。3)将待模拟时段划分为n个子时段，其中第i个子时段的初始时刻为终了时刻为1≤i≤n，n≥2；根据步骤1)得到的所述坝基帷幕的渗流速度U0、孔隙度θ0、目标组分浓度C0、渗透系数K0、弥散系数D0以及溶解速率R0，对步骤2)建立的渗流方程、溶质迁移方程和固相介质时变方程进行求解，依次计算得到第j个子时段的终了时刻的渗流速度、孔隙度以及目标组分浓度，1≤j≤n；同时利用渗透系数K与孔隙度θ之间的函数、弥散系数D与渗流速度U、孔隙度θ之间的函数以及可溶组分的溶解速率R与目标组分浓度C之间的函数，得到第j个子时段的终了时刻的渗透系数、弥散系数以及溶解速率；并将第j个子时段的终了时刻的渗流速度、孔隙度、目标组分浓度、渗透系数、弥散系数以及溶解速率作为第j+1个子时段的初始时刻的相应值；其中，所述渗透系数K与孔隙度θ之间的函数为：K＝K0·(θ/θ0)3[(1-θ0)/(1-θ)]2式中，K0和θ0分别为模拟前所述坝基帷幕的渗透系数和孔隙度；所述弥散系数D与渗流速度U、孔隙度θ之间的函数为：D＝α·|U|+Dm·θ式中，α为弥散度，Dm为钙离子在水中的扩散系数；所述可溶组分的溶解速率R与目标组分浓度C之间的函数为：R=A·(1-CCa2+·COH-2Ksp)n]]>式中，A为反应动力学系数，n为动力学指数，Ksp为Ca(OH)2的溶度积常数，为钙离子浓度，为氢氧根离子浓度；A，n，Ksp均为预设系数。模拟前所述坝基的孔隙度θ0可由坝基的几何参数直接得到。步骤1)中以上游库水位作为初始水头，在所述边界条件的约束下对坝基进行渗流和溶质运移的稳定态模拟，获得渗流稳定态时的渗流场和化学场分布情况，从而得到模拟前所述坝基的渗流速度U0、目标组分浓度C0、渗透系数K0、弥散系数D0以及溶解速率R0。在所述坝基的孔隙度θ0已知的前提下，对坝基进行渗流和溶质运移稳定态模拟为现有技术，不再赘述。本专利技术的原理及带来的有益效果如下：大坝在长期运行条件下，帷幕受到坝基水的侵蚀作用，其矿物组成的溶失使得帷幕细观结构发生改变，引起防渗性能衰减，可能造成渗流安全隐患。为反映帷幕防渗性能衰减机理及其造成的影响，本专利技术依据地下水动力学、溶质运移以及化学动力学的相关理论，建立了多物理场耦合的数学模型，以易发生溶解且作为帷幕主要组成的Ca(OH)2作为目标组分，研究其溶解引起的帷幕防渗性能变化，以及由此引起的幕后渗流、离子浓度等的时空演变。本专利技术的模拟结果表明，模型能较好地反映帷幕孔隙度等细观结构的变化，溶蚀部位主要发生在帷幕顶部和底部，其中顶部以贯穿型侵蚀为主，而底部则主要为表层侵蚀。同时，模型还可预测由帷幕引起的坝基渗流、离子浓度等的变化。通过使用本专利技术的方法模拟大坝基础帷幕在某一时间段内的防渗性能衰减值，包括帷幕的渗流速度和孔隙度等，这样可以反映大坝基础帷幕防渗性能在该时段内的衰减过程及衰减程度，从而可以刻画该时段内坝基帷幕细观结构和防渗性能等随时间演变及空间分布情况。本专利技术提出的坝基帷幕防渗性能衰减的数值模拟方法具有良好的精度，为直观、方便地了解坝基帷幕防渗性能的衰减发生的部位及程度提供可能，解决了因溶失引起帷幕防渗性能衰减的量化解析问题。本专利技术通过模拟帷幕中可溶组分溶解引起的帷幕孔隙度增大以及由此引起的防渗性能变化，可以为大坝的安全运行和维护提供依据从而减少因渗流引起的水坝失事事故。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术实施例中待模拟坝基的结构示意图。图2为模拟结束后帷幕的孔隙度二维空间分布示意图。图3为模拟结束后帷幕典型断面孔隙度的一维空间分布示意图。图4为模拟时段内帷幕防渗性能衰减程度的断面示意图。具体实施方式实施例本实施例的待模拟的坝基二维模型如图1所示，大坝高150m，坝底宽60m，帷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种坝基帷幕防渗性能衰减的数值模拟方法，包括以下步骤：1)根据待模拟的坝基的实际物理参数设置边界条件，并得到模拟前所述坝基的渗流速度U0、孔隙度θ0、目标组分浓度C0、渗透系数K0、弥散系数D0以及溶解速率R0；所述坝基包括基岩和帷幕两部分，目标组分浓度包括钙离子浓度和氢氧根离子浓度；2)根据步骤1)设置的边界条件，建立渗流方程、溶质迁移方程和固相介质时变方程；所述渗流方程为：∂∂x(K∂H∂x)+∂∂y(K∂H∂y)=μ∂H∂t]]>式中，H为水头，K为渗透系数，t为时间参数，μ为给水度，x、y分别为坝基的横坐标、纵坐标；所述溶质迁移方程为：∂(θC)∂t=∂∂x[DL∂(θC)∂x]+∂∂y[DT∂(θC)∂y]-∂(uxθC)∂x-∂(uyθC)∂y+θ·R]]>式中，R为可溶组分的溶解速率，C为目标组分浓度；U为渗流速度，可分解为水平方向的渗流速度ux和垂直方向的渗流速度uy；θ为孔隙度；D为弥散系数，可分解为纵向弥散系数DT和横向弥散系数DL；x、y分别为坝基的横坐标、纵坐标；t为时间参数；所述固相介质时变方程为：∂θ∂t=R·M·θ]]>式中，M为Ca(OH)2的摩尔体积，R为可溶组分的溶解速率，θ为孔隙度，t为时间参数；3)将待模拟时段划分为n个子时段，其中第i个子时段的初始时刻为终了时刻为1≤i≤n，n≥2；根据步骤1)得到的所述模拟前坝基帷幕的渗流速度U0、孔隙度θ0、目标组分浓度C0、渗透系数K0、弥散系数D0以及溶解速率R0，对步骤2)建立的渗流方程、溶质迁移方程和固相介质时变方程进行求解，依次计算得到第j个子时段的终了时刻的渗流速度、孔隙度以及目标组分浓度，j∈{1,2,…,n}；同时利用渗透系数K与孔隙度θ之间的函数、弥散系数D与渗流速度U、孔隙度θ之间的函数以及可溶组分的溶解速率R与目标组分浓度C之间的函数，得到第j个子时段的终了时刻的渗透系数、弥散系数以及溶解速率；并将第j个子时段的终了时刻的渗流速度、孔隙度、目标组分浓度、渗透系数、弥散系数以及溶解速率作为第j+1个子时段的初始时刻的相应值；其中，所述渗透系数K与孔隙度θ之间的函数为：K＝K0·(θ/θ0)3[(1‑θ0)/(1‑θ)]2式中，K0和θ0分别为模拟前所述坝基的渗透系数和孔隙度；所述弥散系数D与渗流速度U、孔隙度θ之间的函数为：D＝α·|U|+Dm·θ式中，α为弥散度，Dm为钙离子在水中的扩散系数；所述可溶组分的溶解速率R与目标组分浓度C之间的函数为：R=A·(1-CCa2+·COH-2Ksp)n]]>式中，A为反应动力学系数，n为动力学指数，Ksp为Ca(OH)2的溶度积常数，为钙离子浓度，为氢氧根离子浓度；A，n，Ksp均为预设系数。...

【技术特征摘要】
1.一种坝基帷幕防渗性能衰减的数值模拟方法，包括以下步骤：1)根据待模拟的坝基的实际物理参数设置边界条件，并得到模拟前所述坝基的渗流速度U0、孔隙度θ0、目标组分浓度C0、渗透系数K0、弥散系数D0以及溶解速率R0；所述坝基包括基岩和帷幕两部分，目标组分浓度包括钙离子浓度和氢氧根离子浓度；2)根据步骤1)设置的边界条件，建立渗流方程、溶质迁移方程和固相介质时变方程；所述渗流方程为：∂∂x(K∂H∂x)+∂∂y(K∂H∂y)=μ∂H∂t]]>式中，H为水头，K为渗透系数，t为时间参数，μ为给水度，x、y分别为坝基的横坐标、纵坐标；所述溶质迁移方程为：∂(θC)∂t=∂∂x[DL∂(θC)∂x]+∂∂y[DT∂(θC)∂y]-∂(uxθ...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍吉祥，马福恒，祝云宪，盛金保，苏社教，杨峰，李子阳，胡江，成荣亮，程林，叶伟，董娜，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，河南省出山店水库建设管理局，河南省石漫滩水库管理局，
类型：发明
国别省市：江苏;32