有自由面渗流分析的高斯点法

有自由面的渗流问题是比较复杂的非线性问题，这类问题的有限元求解一般采用固定网格法。本文根据饱和区和非饱和区的渗流特点，提出了高斯点法，该算法原理简单，易于实现。     

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。     

裂隙网络无压渗流分析的初流量法

借鉴初流量法的思想,引入初流速来抵消在裂隙网络干区实际不存在的流速,将Darcy定理扩展到整个区域,定义了在整个区域上的非线性边值问题,并将潜在溢出面边界条件归纳为Signorini型边界条件,建律了等价的变分不等式提法。通过结合连续型的Heaviside函数,给出了基于变分不等式的初流量有限元迭代算法,研制开发了相应的计算程序,通过两个典型算例验证了本文算法在求解复杂裂隙网络渗流自由面的有效性和鲁棒性。     

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。     

基于Ansys的渗流自由面计算方法

对渗流自由面计算的单元传导矩阵调整法进行了改进。在局部坐标系下,将单元离散为一系列面元（三维为体元）,根据面元或体元形心处的压力水头值来确定面元或体元的权系数,然后按加权平均确定单元的等效渗透系数,该方法既可以避免复合单元中自由面上下面积或体积的计算,面元或体元的离散密度也可以任意选择,简化了计算程序。通过预设的收敛参数来控制迭代过程,可避免相邻两次计算的渗透系数变化太大而难于收敛。以Ansys为开发平台,用APDL语言编写了相应的计算程序,扩展了Ansys的计算功能,为渗流自由面计算提供了新途径。算例表明：该方法的收敛性较好、计算精度较高,能满足工程需要。     

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。     

三维非恒定渗流自由面边界积分项的高精度数值积分

在三维非恒定渗流有限元计算中,不可避免地需计算自由面上的边界积分项。建议一种高精度数值积分的方法求取自由面边界积分项。其基本思路是,基于8节点空间等参单元,根据压力为零的边界条件确定自由面满足的曲面方程,将自由面边界积分转化为ξη平面上的二重积分;然后再计算自由面与三维等参单元的交点,将交点投影到局部坐标平面ξη上,并根据点与线的相对关系,确定投影点所围成的局部坐标积分区域;再将总积分区域划分成若干个三角形子区域,并利用变步长Simpson方法计算各三角形子区域上的二重积分,从而实现了高精度的自由面边界积分。该方法避免了单元中自由面为平面的假设,可提高计算精度,特别对于单元内自由面变化剧烈情况,更为显著。将该方法应用于砂槽模型和土坝的渗流分析中,计算结果与实际情况较为接近。     

混合似变分不等式解的一个四步迭代算法

利用不动点和预解方程这一技巧,给出一个求解混合似变分不等式的四步迭代算法。在算子T伪单调连续的条件下,即可证明新提出的算法的收敛性,并且所得到的结果可以看作是对先前求解变分不等式算法的推广和改进。     

岩土体渗流自由面问题的重心插值无网格方法

岩土体的渗透破坏、地下工程的防渗设计等无不与渗流计算有关。针对渗流自由面问题,提出一种重心拉格朗日插值的配点型无网格方法。由于渗流自由面问题的求解区域是不规则区域,该方法通过将不规则求解区域嵌入一个正则矩形区域,在正则区域上采用重心拉格朗日插值近似未知函数,利用配点法离散渗流问题的控制方程,将重心拉格朗日插值的微分矩阵离散成代数方程表达的矩阵形式。将自由面上的边界条件通过重心拉格朗日插值离散,通过置换方程法和附加方程法施加边界条件,利用正则区域上的重心插值配点法,通过迭代确定最终自由面的位置。数值算例表明所提出的无网格方法对于求解渗流自由面问题的正确性和高精度。     

改进的遗传算法及其在渗流参数反演中的应用

利用水头实测资料,以裂隙组的渗透系数比例因子为待反演的参数向量,在采用基本遗传算法进行参数反演研究的基础上,针对裂隙岩体无压渗流参数反问题计算量过大,目标参数众多以及参数可能变化范围大等特点,提出了一种混合遗传算法求解此类问题,力求克服简单遗传算法在解决此类问题时存在的局部搜索能力弱、易出现早熟收敛及计算量大等缺陷,并通过典型岩坡渗流算例进行验证,同时给出了基本遗传算法、传统单纯形算法的反演成果。计算结果表明,该方法保持了基本遗传算法优点,并有效地提高了算法的运行效率,从而为求解裂隙岩体无压渗流参数反问题等计算量大的系列问题提供了新的途径。     

A new parabolic variational inequality formulation of Signorini's condition for non‐steady seepage problems with complex seepage control systems

By extending Darcy's law to the dry domain above the free surface and specifying the boundary condition on the potential seepage surfaces as Signorini's type, a partial differential equation (PDE) defined in the entire domain of interest is formulated for non‐steady seepage flow problems with free surfaces. A new parabolic variational inequality (PVI) formulation equivalent to the PDE formulation is then proposed, in which the flux part of the complementary condition of Signorini's type in the PDE formulation is transformed into natural boundary condition. Consequently, the singularity at the seepage points is eliminated and the difficulty in selecting the trial functions is significantly reduced. By introducing an adaptive penalized Heaviside function in the finite element analysis, the numerical stability of the discrete PVI formulation is well guaranteed. The proposed approach is validated by the existing laboratory tests with sudden rise and dropdown of water heads, and then applied to capture the non‐steady seepage flow behaviors in a homogeneous rectangular dam with five drainage tunnels during a linear dropdown of upstream water head. The non‐steady seepage flow in the surrounding rocks of the underground powerhouse in the Shuibuya Hydropower Project is further modeled, in which a complex seepage control system is involved. Comparisons with the in situ monitoring data show that the calculation results well illustrate the non‐steady seepage flow process during impounding and the operation of the reservoir as well as the seepage control effects of the drainage hole arrays and drainage tunnels. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

杂交边界点法求解带自由面的渗流问题

将杂交边界点法与迭代法相结合,求解有自由面的渗流问题。杂交边界点法基于杂交位移变分原理和移动最小二乘近似,利用基本解插值域内的场函数,而边界上的变量则用移动最小二乘近似,是一种纯边界类型的无网格方法。利用该方法只需在边界上布点而不需要划分任何网格的特性,先假定自由面的初始位置,再进行迭代求解。数值算例表明,该方法精度较高、计算量较小,适合于求解各种具有自由面的渗流问题。     

岩体裂隙网络非稳定渗流分析与数值模拟

针对裂隙岩体的非稳定渗流问题,通过将Darcy定理扩展到包含干区的整个裂隙网络区域,并令潜在溢出边界条件为Signorini型互补边界条件,将湿区上的非稳定渗流问题转化为全域上的一个新的初边值问题。为降低试探函数选取的难度,建立与定义在整个裂隙网络区域上的偏微分方程（PDE）提法等价的抛物型变分不等式（PVI）提法,并给出裂隙网络非稳定渗流分析的有限元数值分析格式和迭代算法,与砂槽模型试验数据的对比分析,验证其有效性。最后,将文中发展的计算方法应用到含复杂裂隙网络的边坡非稳定渗流分析,计算结果很好地反映出边坡内部自由面随库水降落的变化规律,并能准确地描述裂隙网络内部渗流运动特征及流量分布的不均匀性。     

An artificial boundary approach for unbounded transient seepage problems

A new artificial boundary approach for transient seepage problems in unbounded domain is presented. The artificial boundary condition at the truncated boundary is derived from the analytical solutions for transient seepage problems in one dimension, including solutions, respectively, for flow in one‐dimensional infinite space and for radial flow in an infinite layer, and then it is tentatively applied for some two dimensional problems in addition to the one‐dimensional problems mentioned above. The boundary conditions derived relate the time‐dependent boundary flux with the time derivative of the hydraulic head at the truncated boundary, which makes the implementation much easier compared with the infinite element method. The accuracy and efficiency of the artificial boundary are validated by several numerical examples, which shows that the proposed boundary can give very good results for one‐dimensional transient seepage problems, as expected, whereas reasonable results can be also obtained for two‐dimensional problems, such as two‐dimensional axisymmetric flow and flow in an infinite plane. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

无压渗流分析的复合单元法

针对无压渗流问题,在传导矩阵调整法的基础上,对穿越自由面的单元用复合单元来处理,每个复合单元具有两套结点水头,一套用于饱和区的水头插值;另一套则用于无水区。通过变分原理,推出了控制方程并在程序中实现。应用复合单元法可以较好地解决自由面的插值问题,消除了穿过自由面单元的水上部分对自由面附近结点水头的贡献,同时对逸出面边界条件的处理也更加方便和准确。算例表明了该方法的有效性。