基于正交试验和复合单元法的排水孔优化设计

排水孔是常用的工程渗控措施,其排水降压效果将直接影响工程的安全与稳定,因此,正确模拟排水孔进而优化设计尤为重要。由于影响排水效果的因素众多,优化设计需要针对多种排水孔方案进行渗流分析,计算量较大,采用正交设计法确定排水孔方案可以大大减少渗流分析次数;传统的数值模拟方法在排水孔方案改变时需要重新绘制计算网格,前处理难以实现,采用复合单元法,无需绘制排水孔网格,因而不同排水方案的渗流分析可共用一套网格,降低了前处理的工作量和难度。基于正交试验和复合单元法的排水孔优化设计的具体步骤为：确定试验指标、因素和水平;选择合适的正交表,确定渗流计算方案;对各方案依次采用复合单元法进行渗流分析;根据渗流计算结果进行极差分析和方案优选。该方法能够迅速有效地确定出“最优”的排水孔方案,具有一定的工程实用价值,实例分析表明了该方法的可行性和优越性。     

地下工程渗流排水孔数值模拟的隐式复合单元法

根据渗流基本原理,提出了排水孔在地下工程中渗流数值模拟的隐式复合单元法。将排水孔隐含于模型网格中,得到排水孔在模型中的数据信息。判断所有排水孔与单元的相对位置,通过修正排水孔所穿过单元的渗透传导矩阵来模拟排水孔的强排水效果,并通过实例对排水子结构法和隐式复合单元法进行了比较。运用编制的三维有限元计算程序对某地下水电站厂房渗流场及排水孔进行了模拟,结果表明,采用隐式复合单元法对排水孔进行模拟是可行的。     

渗流分析中排水孔模拟的叠单元法

排水孔是重要的渗控措施,如何准确模拟排水孔的作用是渗流分析中的关键问题之一。目前普遍采用排水子结构法,但由于子结构网格依存于整体网格,在解决复杂工程问题时网格划分难度很大。文中提出一种新的排水孔模拟方法--叠单元法。对于含排水孔的结构,将其划分为不包含排水孔的整体网格以及各排水孔附近区域的局部网格,网格之间相互独立。然后,通过排水孔局部网格的外边界面的虚拟渗流,实现整体网格与排水孔局部网格的耦合。算例分析的结果表明,当排水孔局部网格范围大小取为整体网格单元尺寸的1～3倍,外边界面渗透系数取为材料渗透系数的102～103倍时,所提方法能够准确模拟排水孔的作用。由于叠单元法的网格划分简便易行,有望广泛应用于复杂工程问题的渗流分析     

用空气单元法求解渗流场的逸出边界问题

依据空气单元模拟排水孔的思路,在渗流场任意可能逸出边界外布置一层渗透性较强的单元,与其他实体单元一起进行渗流计算,可以实现该边界的自动求解。与现行方法相比,不仅省去了逸出边界迭代计算的麻烦,而且避免了由于逸出点定位不准确而可能引起的渗流计算不合理或收敛困难等缺陷。算例分析表明,空气单元法的计算精度与空气单元的相对渗透系数R有关,与厚度L无关。当选取了合适的R值后,可以较好地逼近现行方法。对于因引入空气单元而造成的强弱透水介质界面处数值拟真性差的现象,还提出了加入接触面薄层单元的改进方法。方法改进后,计算精度可进一步提高。最后,以小湾水电站22#坝段渗流场计算为例,说明该法的实用性和可行性。     

水位骤降条件下有密集排水孔大坝三维渗流场数值模拟研究

对于坝坡布置密集排水孔的工程渗流问题,水位骤降条件下密集排水孔排水效果及坝体和坝基内三维渗流场分布是工程设计人员关心的重要问题。针对坝坡布置排水孔的渗流行为,提出了密集排水孔在水位骤降下渗流状态改变的处理方法。并详细论述了改进的截止负压法求解饱和-非饱和渗流场、排水子结构法和排水孔开关器等精细模拟排水孔的关键技术。工程实例表明,采用该方法可以有效地解决水位骤降下上游坝坡布置密集排水孔三维渗流场的精细数值模拟问题。     

改进的排水孔解析解和有限元耦合计算方法

在分析詹美礼、速宝玉等提出的排水孔解析解和有限元耦合计算方法的基础上,针对三维六面体单元,提出了改进的排水孔排水流量准解析式,并将此解析式与有限元渗流计算耦合, 算例说明了改进的解析计算式的合理性。     

边坡水平排水孔幕的渗流计算

为了简化边坡水平排水孔幕的渗流计算,根据排水孔两侧水位曲线对称的特征,选取隔离体来模拟研究边坡中地下水的运动规律。将排水孔视作强透水的管状渗透介质,建立隔离体的渗流模型,采用数值法模拟分析水平排水孔幕工作时渗流场的分布特征。实例表明,该方法合理有效,可用于边坡水平排水孔幕系统的排水效果评价及边坡水平排水孔幕系统的合理设计。      

模拟排水孔列渗流行为的以沟代孔列延长渗径法研究

排水孔是降低岩土体中地下水位和减小渗透压力的重要设施。因排水孔孔径小、排列密集,研究排水孔列的简化模拟方法对减小渗流数值计算规模,提高计算效率十分必要。基于流量等效原理的以沟代井列的延长渗径法,因其概念清晰、实现简便,在承压含水层井列的渗流场模拟中应用广泛。现有以沟代井列的延长渗径法中附加渗径计算公式与井深和含水层厚度息息相关,使得该方法应用于多层和有自由面的问题困难重重。针对现有延长渗径法的局限性,提出适用于有自由面的各向异性多种介质中排水孔列渗流问题的延长渗径法,附加渗径长度的确定不再受到孔深和含水层厚度的影响。采用该方法对几个典型的溢流型、逸出型和复合型排水孔列进行渗流场有限元分析,并与排水孔直接模拟的结果进行对比。结果表明,延长渗径法得到的排水孔的流量与排水孔直接模拟法的流量相差很小,且两种方法获得的自由面基本吻合。因此,提出的延长渗径法是模拟排水孔列渗流行为的简单而有效的方法。     

南水北调中线典型承压水地层渠段渗流场数值分析

南水北调中线工程中,渗流问题是影响渠道衬砌及渠坡稳定的关键因素之一,在具有承压水地层的深挖方渠段尤其如此。为更全面分析该类渠段渗流场分布特征及渗控措施合理性,采用渗流自由面、密集排水孔三维有限元精细模拟技术,针对典型深挖方渠段建立渗流模型,模拟渠道渗流场分布,分析渗控措施的效果。结果表明,在具有承压水地层渠段布置排水垫层,并结合逆止阀以及渠坡排水孔等综合措施,能有效降低渠底衬砌板下扬压力,为工程安全运行提供有力保障。     

基于变分不等式的地下洞室渗流边界模拟

Signorini型变分不等式在求解有出渗点的渗流自由面问题时,消除了出渗点的奇性,克服了网格的依赖性。在迭代求解过程中多采用约束迭代法,这种数学约束比较严格,对于自由面穿过的单元计算不容易收敛,会造成结果在两种解中震荡。笔者在变分不等式的基础上修改了迭代公式,对数学约束进行了修改,建立了变带宽的迭代方法。通过修改迭代算法提高了Signorini型变分不等式方法的数值稳定性,同时减少了迭代时间。地下厂房开挖后地下水会从洞室的边墙渗出,临界出渗点的确定对分析渗漏量和排水孔效果起到关键作用。通过对工程中开挖边界和排水孔边界的渗流计算模拟分析,证明了改进迭代算法后的Signorini型变分不等式在复杂非线性强的三维渗流计算中收敛性较好。     

三峡库区大石板滑坡区排水系统效果评估

结合三峡库区大石板滑坡工程实例 ,以连续 36天的降雨过程为条件 ,利用已有的地下水位观测资料 ,采用人工神经网络方法预测滑坡内地下水位在排水工程实施前后的变化 ,以此作为非饱和饱和非衡定地下渗流计算的特定水头边界。根据计算的地下水位进行滑坡稳定性分析 ,结合稳定分析成果对排水系统工程的效果进行评价。结果表明 ,地下排水工程的实施可较大幅度地提高滑坡的稳定性。     

排水抗滑桩技术研究现状及展望

排水抗滑桩技术一方面可以克服传统抗滑桩不利于坡内渗流排水这一问题,另一方面也减少了竖向排水、抗滑等结构单独施作时的开挖工程量,并可充分提供水化热散热面,确保整体结构的质量,因此成为现代滑坡防治工程中重要的技术手段,也是近年来地质灾害、水文地质及地下工程等学科持续关注的新型技术。排水抗滑桩技术涉及流体力学和固体力学,以及水动力模型、结构模型、工程地质模型等,理论体系尚不够成熟,且存在空间结构组合相对复杂、施工技术难度较大等问题,其进一步推广应用受到制约,需要开展有针对性的现状总结研究。在查阅大量国内外相关文献、专利和实际工程应用的基础上,对现有排水抗滑桩结构（抗液化桩、空心排水抗滑桩、箱型排水抗滑桩等）特征及分类进行系统归纳,发现：结构上通常与集排水结构形成“渗-集-排”抗滑组合立体结构系统,主体抗滑形式多为桩型或键型,“渗-集-排”结构通常包括透水孔、辐射状渗水孔和排水花管;通过对典型应用实例的综合分析,指出排水抗滑桩虽已具有显著提高稳定性的优势,但距离其广泛应用和多元化发展还有一定距离。据此提出目前排水抗滑桩研究中施工工艺复杂、力学性能和排水特性不明晰、抗滑稳定性计算理论不完善、平面...     

A numerical solution to seepage problems with complex drainage systems

Seepage problems with complex drainage systems are commonly encountered in civil engineering, with strong non-linearity. A numerical solution based on the Finite Element Method combining the substructure technique with a variational inequality formulation of Signorini’s type is proposed to solve these problems. The aims of this work are to accurately characterize the boundary conditions of the drainage systems, to reduce the difficulty in mesh generation resulting from the drainage holes with small radius and dense spacing, and to eliminate the singularity at the seepage points and the resultant mesh dependency. Numerical stability and robustness of the proposed method are guaranteed by an adaptive procedure for progressively relaxing the penalized Heaviside function associated with the formulation of the discrete variational inequality. Two challenging numerical examples are presented to validate the effectiveness and robustness of the proposed method.