堤坝集中渗漏流热耦合模型及室内试验研究

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我国水利工程中绝大多数为堤坝工程,这些堤坝工程最大的安全隐患来自于堤坝的渗流。渗流热监测技术近年来常用来监测堤坝的渗流,其原理主要是通过监测堤坝异常温度变化来间接寻找异常的渗漏点,从而达到监测堤坝渗流的目的。本文在已提出新的导热系数模型基础上,采用室内试验与数值模型相结合的方法,通过物理模型试验研究不同入渗水头、不同渗漏通道、不同入渗水温等条件下堤坝温度场与渗流场的变化规律。并利用试验实测数据验证基于新的导热系数模型的堤坝饱和-非饱和流-热耦合模型的准确性及可行性。主要研究成果如下:(1)从室内试验实测数据来看,当入渗水温越高时,堤坝集中渗漏发生的速度越快,对堤坝温度场和渗流场产生的影响也越大,入渗水温越低时,堤坝集中渗漏发生的速度和破坏速度就越慢;当入渗水头越高时,堤坝发生集中渗漏的时间越早,且坝体单宽渗流量越多;当坝体存在集中渗漏通道时坝体的渗流量和单宽渗流速率要远远多于无集中渗漏通道的工况。(2)结合室内试验实测数据和基于COMSOL Multiphysics采用Lu(2007)模型、Lu(2014)模型和Ren(2019)模型的数值模拟数据,从多个测点的三个评价指标(RMSE,Re和R~2)来看,基于COMSOL Multiphysics采用Ren(2019)模型模拟的堤坝温度数据与实测温度数据比较吻合。(3)从渗流场模拟结果来看,无集中渗漏情况下坝体的流线均匀分布在整个坝体,当存在集中渗漏时,坝体的流线出现了异常,大部分流线集中在了集中渗漏通道附近,其他坝体区域的流线分布稀疏。(4)从实测的测压管水头数据和模拟结果对比结果来看,基于Ren(2019)模型模拟值与实测值较为吻合,预测比较准确。基于COMSOL Multiphysics的Ren(2019)模型堤坝流热耦合模型具有良好的模拟效果,能够较为精确的刻画堤坝的渗流场动态变化过程。(5)将构建的Ren(2019)模型的堤坝流热耦合模型用于心墙土石坝,结果表明Ren(2019)模型适用于土石坝流-热耦合模型的研究,能够准确地反映土石坝温度场和渗流场的耦合过程。集中渗漏通过渗流场影响温度场分布,不同高度的集中渗漏通道对坝体温度场的影响不同,通过埋设传感器监测坝体内部温度场可以实时的反映土石坝渗流场的情况,能够及时发现问题并排除隐患。
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