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     

三维稳定渗流的 p 型自适应有限元分析

建立了三维稳定渗流的p型自适应有限元分析的误差估计器。充分利用p型有限元前处理少、计算精度高和收敛速度快的优点，分析了p型有限元法求解渗流问题的技术特点，给出了求解三维稳定渗流的自适应升阶策略。通过具体算例，研究了单元阶次及网格尺度对计算结果的影响，验证了三维p型有限元法在求解渗流问题时的可行性。     

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。     

双河油田储层渗流单元分析及应用

双河油田已进入开发后期 ,为了精确预测层内潜力分布状况 ,解剖更小级别的储层非均质单元的分布 ,提出了储层渗流单元分析法。研究表明 ,双河油田储层可划分出 4种渗流单元类型 ,渗流单元与成因砂体之间的关系不是简单的对应关系 ,平面上渗流单元分布很复杂 ,表现为极强的非均质性。储层渗流单元模型可应用于数值模拟网格划分和定性预测剩余油的分布 ,从而大大提高剩余油分布预测的精度和工作效率     

有自由面渗流分析的三维数值流形方法

提出了求解有自由面渗流问题的三维数值流形方法,通过构造任意形状流形单元的水头函数,推导了流形单元的渗透矩阵和无压渗流分析的总体控制方程,并给出了自由面的迭代求解策略和渗透体积力的计算方法。典型算例的数值分析表明,该方法采用数学网格覆盖整个材料区域,在自由面的迭代求解过程中数学网格保持不变,只考虑自由面以下渗流区的介质,只对自由面以下的流形单元形成总体渗透矩阵,具有精度高、收敛速度快、编程简单等优点,而且能够通过单纯形积分精确计算被自由面穿越单元的渗透作用力,因此,特别适用于有自由面渗流问题的模拟。     

裂隙岩体渗流场的无单元法模拟及渗流特性研究

裂隙岩体因含有发育程度不同的裂隙、节理和断层等不连续面,致其渗透性具有各向异性、不连续性等特点,因此传统的有限元法对分布密集的裂隙岩体渗流场求解有一定的难度。本文提出了采用无单元Glaerkin法求解有自由面裂隙渗流问题,并推导了无单元法求解渗流场的基本方程和积分格式,给出了应用罚函数法处理渗流边界条件和自由面处理方法。采用IDL语言编制了二维无单元法计算软件LIDAREFM。文中以北京怀柔桥梓镇某裂隙岩体边坡渗流场计算为例,研究了复杂裂隙共同作用下渗流场特性和自由面分布,讨论了不同开度、不同连通程度的裂隙对渗流场的影响。研究结果表明:无单元法可以较好地解决有密集裂隙的岩体渗流场的求解问题,实现了裂隙处结点任意加密以及积分网格的独立布置,避免了对有自由面和裂隙穿越的子域的重新处理,简化了渗流问题的求解过程。     

复杂电性结构大地电磁二维响应特征

为了改进计算区域离散化问题,本文利用自适应非结构化网格有限单元法求解二维地电结构下大地电磁场满足的加权余量表达式。在有限元求解电磁场的过程中,网格剖分越精细、计算精度越高,计算量也会越大。此外,结构化网格难以适应任意地形以及复杂地质构造。而自适应非结构化网格在电性变化剧烈的区域会自动加密,在电性缓变的区域则生成粗疏的网格,从而优化网格质量与数量。因此,文中引入COMSOL Multiphysics软件,以实现若干地电模型的构建及非结构化自由四边形单元网格化。将网格数据信息导入本文算法,计算大地电磁场响应,并与解析解及数值解对比。结果表明,基于非结构化网格的正演模拟精度高、适应性强,为计算区域网格化提供了新的方法。     

Signorini型变分不等式方法在实际工程渗流问题中的应用

对Signorini型变分不等式方法定义的罚Heaviside函数进行了改进,建立了自适应罚Heaviside函数,从而使Signorini型变分不等式方法的数值稳定性进一步得到改善,网格依赖性进一步得到克服。通过将Signorini型变分不等式方法应用于深圳市公明水库坝区渗流分析,论证了Signorini型变分不等式方法在复杂强非线性三维渗流问题中的适用性。     

浅埋隧道掌子面稳定性二维自适应上限有限元分析

为研究浅埋隧道掌子面稳定性及获取精细化的破坏模式,提出了一种上限有限元非结构化网格自适应加密策略。以单元耗散能权重指标作为网格自适应加密评判准则,该策略同时兼顾了单元尺度与塑性应变。应用高阶的6节点三角形单元并建立上限有限元线性规划模型,以多次反复计算和网格加密的方式实现了二维自适应上限有限元分析并编制了计算程序。利用条形基础地基极限承载力课题,从上限解精度和网格加密形态方面验证了该程序的有效性。针对浅埋隧道掌子面稳定性问题,展开多参数条件下的自适应上限有限元计算,分析了网格加密过程中单元总数与上限解精度的关系,列出不同隧道埋深和内摩擦角对应的隧道掌子面稳定性临界值的上限解,揭示出掌子面稳定性变化规律及精细化的破坏模式。     

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。     

多尺度有限单元法求解非均质多孔介质中的三维地下水流问题

应用多尺度有限单元法模拟非均质多孔介质中的三维地下水流问题。与传统有限单元法相比，多尺度有限单元法的基函数具有能反映单元内参数变化的优点，所以这种方法能在大尺度上抓住解的小尺度特征获得较精确的解。在介绍多尺度有限单元法求解非均质多孔介质中三维地下水流问题的基本原理之后，对参数水平方向渐变垂直方向突变的非均质多孔介质中的三维地下水流和Borden实验场的三维地下水流分别用多尺度有限单元法和传统等参有限单元法进行了计算，结果表明在模拟高度非均质多孔介质中的三维地下水流问题时，多尺度有限单元法比传统有限单元法有效，既节省计算量又有较高的精度；在模拟非均质性弱的多孔介质中的三维地下水流问题时，多尺度有限单元法虽然也能在大尺度上获得较为精确的解，但效果不明显。     

p型自适应有限单元法及其在岩土工程中的应用

详细地介绍了p型自适应有限元的基本理论及其发展过程,总结了p型自适应有限元的误差估计方法、自适应升阶策略以及加速收敛技术,并将p型自适应有限元法应用于岩土工程的三维弹粘塑性分析、三维动力响应分析以及三维渗流分析中,最后提出了p型自适应有限单元法中亟待解决的问题及今后的研究方向。     

A two-grid search scheme for large-scale 3-D finite element analyses of slope stability

It is well known that the trial process for seeking the safety factor in the shear strength reduction finite element method (SSRFEM) is quite expensive, particularly for large 3-D slope stability analyses. The search algorithm for the safety factor is crucial to the entire solution process for the shear strength reduction finite element method, but few studies have attempted to exploit it. Among search algorithms, the commonly used bracketing and bisection search has not been fully optimised. Consequently, to improve the search scheme for the safety factor associated with the shear strength reduction finite element method, two strategies are suggested. First, a generalised bisection search algorithm is proposed to reduce the possibility of encountering non-convergence from a statistical point of view. To further improve the efficiency, a new two-grid scheme, characterised by a coarse mesh search and followed by a fine mesh search, is developed. Based on the drained or undrained analyses of the 3-D slope examples, the new search algorithm can markedly outperform the commonly used bisection search algorithms based on a single finite element mesh.     

A practical and efficient numerical scheme for the analysis of steady state unconfined seepage flows

The scaled boundary finite‐element method (SBFEM), a novel semi‐analytical technique, is applied to the analysis of the confined and unconfined seepage flow. This method combines the advantages of the finite‐element method and the boundary element method. In this method, only the boundary of the domain is discretized; no fundamental solution is required, and singularity problems can be modeled rigorously. Anisotropic and nonhomogeneous materials satisfying similarity are modeled without additional efforts. In this paper, SBFE equations and solution procedures for the analysis of seepage flow are outlined. The accuracy of the proposed method in modeling singularity problems is demonstrated by analyzing seepage flow under a concrete dam with a cutoff at heel. As only the boundary is discretized, the variable mesh technique is advisable for modeling unconfined seepage analyses. The accuracy, effectiveness, and efficiency of the method are demonstrated by modeling several unconfined seepage flow problems. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

渗流场随机性的随机有限元分析

基于一阶Taylor随机有限元法,推导出相应的渗流场随机分析中渗流响应量（水头和水力梯度）的随机响应公式,进而实现三维稳定渗流场随机有限元分析,并编制了相应的程序。在分析中,将渗流区域材料的渗透张量视为三维各向异性随机场,利用三维可分离向量随机场的局部平均法对随机场进行离散,根据参数选取的不同,可以离散出不同数量的随机变量。最后,给出一个算例,对离散出随机变量数量不同的情况分别进行随机分析,将分析结果和仅仅将渗透张量视为三维随机变量得到的结果对比,验证了所提方法的可行性。     

虚拟单元法求解渗流流量

提出了计算渗流场流量的虚拟单元法,推导了虚拟单元法有限元方程,并探讨了虚拟单元法的有限元实现方法,建立了虚拟单元法求解渗流流量的理论和方法体系。二维径向渗流和平底坝基算例比较分析表明,虚拟单元法具有计算精度高及有限元实现简单并容易编写通用程序等优点。虚拟单元法与中线法计算流量具有相同的精度,但在应用上虚拟单元法有一定优势。     

隧道开挖的双重介质水力耦合模型有限元分析

基于混合物理论孔隙-裂隙岩体的双重孔隙介质水力耦合计算的微分方程,利用伽辽金有限元法提出了相应的有限元公式,并基于岩体分类指标（RQD,RMR）提出了与岩体应变状态相关的渗透系数计算公式。编制了裂隙岩体双重介质流固耦合的2-D有限元程序,给出的验证算例表明,该程序是合理和实用的。同时将该程序用于隧道开挖的模拟计算,探讨渗流效应对开挖隧道围岩变形与渗流场的影响。计算结果表明,在隧道设计中不考虑渗流的影响是偏于不安全的。     

Unconfined seepage analysis in earth dams using smoothed fixed grid finite element method

One major difficulty in seepage analyses is finding the position of phreatic surface which is unknown at the beginning of solution and must be determined in an iterative process. The objective of the present study is to develop a novel non‐boundary‐fitted mesh finite‐element method capable of solving the unconfined seepage problem in domains with arbitrary geometry and continuously varied permeability. A new non‐boundary‐fitted finite element method named as smoothed fixed grid finite element method (SFGFEM) is used to simplify the solution of variable domain problem of unconfined seepage. The gradient smoothing technique, in which the area integrals are transformed into the line integrals around edges of smoothing cells, is used to obtain the element matrices. The solution process starts with an initial guess for the unknown boundary and SFGFEM is used to approximate the field variable. The boundary shape is then modified to eventually satisfy nonlinear boundary condition in an iterative process. Some numerical examples are solved to evaluate the applicability of the proposed method and the results are compared with those available in the literature. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.