城区渗流场中建筑物间缝隙有限元简化分析方法

为解决城区渗流场中缝隙多、区域的大尺度与物体的小尺寸相差了几个数量级,有限元分析上存在的困难,根据缝隙流动的解析解,经适当地简化,将缝隙附近的渗流场分为缝外区和缝内区两部分,将缝外区流动简化为一个半径为半缝宽的井流,缝内区流动简化为一个均匀流。引入附加阻力系数,考虑缝隙出入口附近的由于过水断面突然变化而引的局部水头损失,并得到附加阻力系数的表达式。利用该式,结合渗流场中井点水头的修正公式,得到了能有效模拟渗流场中建筑物间缝隙的修正线单元公式。利用该线单元编制了相关程序模拟城区渗流场中的缝隙,使得缝隙出入口处的网格尺寸为缝隙两边的建筑物边长1/3～1/4时就能得到较为准确的结果,避免了区域性渗流场中小尺寸物体的网格划分问题,通过算例验证了该公式的精度和边界适应性。     

偶极子在城区渗流场的结构物模拟中的应用

城区渗流场中地下阻水结构物众多,由于结构物的角点为奇异点,而且结构物的尺寸跟整个城区渗流场的尺寸相比非常小,这导致现有的计算方法难以对城区渗流场进行模拟分析。针对城区渗流场的这些特点,通过引进流体力学的复势、偶极子等理论,采用抽注水井对结构物进行模拟。通过控制井流量的大小,以形成强弱程度不同的阻水效果,而单元尺寸可以以井点间距为尺度,用较少的节点和单元即可对地下结构物进行处理,达到简化计算的目的。抽注水井法是一种简化的模拟算法,它忽略了结构物附近局部区域流场失真的情况,强调在宏观上与真实流场接近。     

钢圆筒结构渗流分析方法研究

钢圆筒结构在国内外港口、跨海桥梁等工程中应用,但对钢圆筒结构渗流分析的方法依然不多.钢圆筒结构渗流分为缝隙渗流与接头渗漏,为解决钢圆筒结构缝隙渗流中局部流线弯曲引起的水头损失增加的计算,引入附加阻力概念,将增加的水头损失用弱透水层进行等效,即可在平面应变条件下进行计算;接头渗漏区域引入附加阻力概念进行等效计算,发现缝隙尺寸的大小对弱透水层渗透系数的影响不大,当缝隙尺寸增大400倍时,等效渗透系数仅增加1.6倍,渗流计算中可认为接头缝隙不透水.采用该等效方法利用水平面二维有限元程序对港珠澳大桥西人工岛钢圆筒结构进行渗流分析,通过与三维数值计算进行对比,计算结果相近.     

面板堆石坝垂直缝破坏下三维渗流场有限元模拟

采用改进节点虚流量法求解无压稳定渗流场,并引入无厚度的裂缝模型对破坏的垂直缝渗流行为进行模拟,得到面板堆石坝裂缝渗流问题的有限元分析方法,并编制Fortran程序。以某混凝土面板堆石坝为例,计算了面板单一垂直缝破坏和多条垂直缝破坏条件下的三维渗流场,得到不同条件下渗流场的水头分布、浸润线以及渗漏量,系统分析了面板堆石坝在垂直缝破坏条件下的稳定渗流场规律和特点。结果表明,该方法能对渗流逸出点和浸润线进行准确定位,还能很好地模拟面板垂直缝破坏对坝区渗流场的影响,可以为面板堆石坝的接缝设计提供参考。     

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。     

水平面渗流有限元中利用接触单元模拟悬挂式阻水结构

区域性渗流场由于范围大,通常忽略掉竖向的水头损失而用水平面二维有限元进行分析,但在城区区域渗流场中悬挂式阻水结构物量多,竖向绕流现象突出,用一般水平面二维有限元进行分析将产生较大的偏差。针对这一问题在悬挂式结构体周边引入一层无厚度界面接触单元。在水平面有限元中利用它考虑因竖向绕流产生的局部水头损失。利用阻力系数的方法和二维状态下截面突变流道流动的解析解,同时考虑防渗墙本身的弱透水性,推导了接触单元的导水矩阵。应用接触单元编制了相关程序,在水平面有限元中利用接触单元对悬挂式阻水结构进行分析,并将结果与三维有限元进行比较,两者的计算结果在流量上保持一致,在水头上前者是后者在同一位置处沿高程方向平均值。提出的该计算方法,对于用水平面二维有限元分析含有悬挂式阻水结构的大区域渗流问题,是一个有效的手段。     

糯扎渡水利枢纽左岸山体三维渗流有限元分析

通常的渗流计算中排水的模拟方法很多,诸如排水子结构法、增加渗透阻抗等。但大型地下厂房与洞室的排水非常复杂,若对每个排水孔都进行模拟就非常繁杂。利用简化方法,采用给定水头和给定流量相结合的方法可以较为方便地解决复杂排水模拟的问题。对糯扎渡地下厂房和洞室群的复杂排水和对左岸包括地下厂房与硐室进行渗流计算分析,通过多个计算方案的比较,对给定流量和给定水头模拟排水效果进行合理假定,使模拟结果得到的排水区流量和水头趋于一致,由此得到合理可靠的排水模拟效果。对模拟得到的糯扎渡左岸山体渗流场进行了分析。计算结果有助于优化工程渗控方案,同时为计算变形稳定提供合理可靠的水荷载。     

岩体裂隙网络渗流变水温影响分析

考虑岩体裂隙渗流变水温影响,推导单裂隙变水温水流近似解析解和有限元解,在此基础上分别建立裂隙二维网络变水温渗流数值求解方程,分别对应裂隙网络变水温渗流分析的近似解析法和子结构法。分析变温水流运动规律发现：（1）单裂隙内水流水头与水力坡降成非线性关系,当水流由高温区向低温区流动时,水头分布曲线为凸曲线,此时按线性渗流简化水头整体偏小;当由低温区向高温区流动时,水头分布曲线为凹曲线,此时按线性渗流简化水头整体偏大。（2）单裂隙内,高水温处水力坡降小,低水温处水力坡降大;裂隙平均水温越高,流速越快;裂隙网络内存在与裂隙宽度相似的温度偏流效应,即交叉节点水流有偏向水流温度高的裂隙流动的趋势。在温度较高和温度梯度较大的区域,应该考虑水流温度变化对渗流场的影响。     

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     

不同形式诱导缝的等效强度承载性能的数值分析

将考虑尺寸效应规律的混凝土等效断裂模型应用到不同形式诱导缝等效强度公式中,得到了修正后的不同形式诱导缝的等效强度公式。同时,得到了诱导缝等效强度的变化曲线,并比较了单双向间隔诱导缝的优劣,得到双向间隔诱导缝优于单向间隔诱导缝的结论,为高拱坝中诱导缝的设计提出了建议。     

Using zero-thickness elements to simulate suspended cut-off walls in a regional seepage field

A regional seepage field is usually simulated by 2D horizontal seepage finite element method (FEM). However, the Dupuit assumption means that it does not take into account hydraulic head loss caused by vertical flow. In order to simulate a regional seepage field containing suspended cut-off walls by 2D horizontal FEM without any loss of accuracy and efficiency, a zero-thickness element is introduced. The zero-thickness element is used to model suspended cut-off walls and take into account the hydraulic head loss caused by vertical flow near the walls. The matrix equation is deduced. The deduction is based on the resistance coefficient method and the analytical solution of flow near suspended cut-off walls under plane condition. The accuracy of the method is assessed by comparing with 3D FEM results. These coincide with each other both in discharge and hydraulic head. The method is an effective way to simulate a suspended cut-off wall in a regional seepage field with 2D horizontal FEM.     

基坑降水对声纳渗流检测精度的影响分析

随着声纳渗流检测技术在水文地质勘探中的应用,其测量结果精度的高低对获取的水文地质参数的准确性起着至关重要的作用。文章依托南宁某基坑工程,采用现场试验方法,同时考虑天然流场和人工流场,分三个阶段对基坑止水帷幕进行声纳渗流检测,对比不同阶段渗漏缺陷暴露的情况,同时根据渗透流速量级变化判断其检测结果精度的高低,并在实际工程中验证其准确性。研究结果表明:不同降水阶段的渗透流速大小变化显著,基坑地下水位降深每增加10 m,声纳检测到的渗透流速平均提高1~2个量级。其原因为降水导致基坑内外水头差增大,水力坡度的增加使渗漏缺陷附近的渗流场发生变化,高水头作用下渗透流速变化明显,渗漏缺陷定位更加精准,声纳检测精度也越高。可见,抬高基坑内外水头差对墙体渗漏缺陷的精准定位十分必要。因此,在对基坑止水帷幕采取声纳渗流检测时,建议将地下水位降至基坑底板以下,以提高检测结果的精度,有效探测止水帷幕渗漏风险。     

均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解

渗流场水头分布计算是进行渗流量和渗流水力坡降计算的基础,准确、有效地求取渗流场水头分布是渗流计算的关键环节。对均质非饱和土体一维稳态流的流动方程进行分析,考虑到渗透系数是与基质吸力相关的函数,通过数学变换,给出了稳定渗流场的解析通式,并基于渗透性函数中的Gardner模型,给出了非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解。该解析通式表明,均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布主要受地表水头、深度和流动率3个因素控制。分别计算了一维稳态蒸发条件下粉土和黏土两种典型土类水头沿垂直方向的分布。计算结果表明：稳态蒸发条件下粉土层和黏土层内的水头分布表现出相似的变化规律,即自地表至地下水位处随着土层深度的增加,水头分布呈现出加速递减的趋势;在相同的蒸发条件下,对于相同深度处的黏土和粉土而言,黏土层内水头更高些;对同一种土类而言,在较大的蒸发状态下同一深度处土层内水头更高。反之,则较低。     

土石坝边坡稳定性分析的温控参数折减有限元法

将土石坝渗流的有限元计算和坝坡稳定分析的强度折减有限元法相结合,对土石坝坝坡的稳定性进行分析。考虑渗流作用时,首先采用有限元法计算坝体渗流场,通过迭代计算出稳定渗流的逸出点和浸润线位置,并根据水力梯度计算坝体所受的渗透力;然后将渗流分析所确定的渗流力与土体自重、浮力、地震力等荷载共同施加在坝体上,采用温控参数折减有限元法计算土石坝坝坡的临界失稳状态及其所对应的安全系数。分析结果表明,采用此方法进行土石坝坝坡稳定分析是合理的,且大大提高了计算效率     

基桩对含水层渗流阻挡作用效应研究

超高层建筑的桩基础通常会打入到深度较大的承压含水砂土层中;在承压含水层的上方通常会进行超深基坑的开挖构建超高层建筑的地下室。为了保持超深基坑的基底稳定,需要在承压含水层中进行降水施工。由于深基坑存在大量的桩基础,基桩的存在会影响降水时地下水的渗流路径,继而影响土体的渗透性状。应用室内试验研究基桩对含水层渗流阻挡作用的机制。试验采用PVC管模拟基桩,将颗粒较均匀的砂土作为试验土体,通过室内渗流试验来研究基桩对地下水渗流的影响。试验结果表明,基桩对于地下水渗流有明显的阻挡效应：基桩的数量以及布置形式会对渗透效应产生较大的影响。考虑砂土体积置换率的有效介质理论可以用来分析矩形布置的基桩对渗透系数的影响,但对梅花形布置的基桩应用有效介质理论计算所得的渗透系数会有将近20%的偏差;其原因是梅花形布置的基桩,会使渗流路径增加。基于对渗流路径的分析,提出了考虑有梅花形布置的基桩存在时等效渗透系数计算的修正方法。     

Transient infinite elements for seepage problems in infinite media

In this paper, a time-dependent infinite element which can be used to simulate transient seepage problems in infinite media is presented. The hydraulic head distribution function of the element has been derived in detail and the property matrices of the element have been well formulated. Since both space and time variables are used in the course of constructing the hydraulic head distribution function of the element, the present infinite element can be referred to as a transient one. Using the present infinite element to model the far field of a system, the mechanism of transient seepage problems in infinite media can be rigorously simulated because the property matrices of the element are evaluated at any time of interest in the analysis. Since explicit expressions can be written for the property matrices of the infinite element, they may be evaluated quite easily and this can be carried out by writing a simple subroutine in a computer program. In order to examine the accuracy and efficiency of the present infinite element, both a one-dimensional (ID) transient seepage problem in a semi-infinite medium and a 2D transient seepage problem in a full plane have been solved using the finite and infinite element technique. It has been demonstrated that the present infinite element is very useful for the numerical simulation of transient seepage problems in infinite media.