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。     

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。     

渗流场有限元计算中排水井的处理方法

应用有限元计算设有排水井的渗流场时,为便于与单元衔接和减少单元数量,须对排水井做某些计算上的处理。列出了两种处理方法：一是转化为等效的多边形井,以便于与邻井单元衔接;二是沿用李祖贻等于1984年提出的转化为等效的n个含井单元,但改进了其对四面体含井单元流量计算中的一面积系数,从1/4提升为1/3。算例均先求出其理论解,以便和井不同处理方法的计算结果比较,可据以选择最佳的井处理方法和估算其误差大小。     

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。     

心墙堆石坝应力状态对渗流场影响的有限元分析

一般对土石坝进行渗流分析时都未考虑坝体的应力场对渗流场的影响。然而,在土石坝的蓄水过程中,坝体内的应力状态复杂且变化大,对渗流场的影响也较大。因此,忽略应力场对渗流场的影响必然造成一定的误差。用有限元方法对心墙堆石坝体蓄水过程中考虑和不考虑应力场影响的渗流场进行对比分析,计算结果表明,渗流-应力耦合作用下坝体局部压密变形,渗透流速减小,心墙下游出逸区域的水力坡降峰值明显高于非耦合值。因此,渗流分析时有必要考虑应力场的影响,否则会得出偏于危险且对工程不利的结果     

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。     

基坑开挖中渗流-应力耦合模拟

根据基坑工程施工实际情况,基于地下水渗流的基本规律以及岩土体受力的本构模型,建立了在应力场和渗流场耦合作用下基坑受力的力学模型,通过有限元方法模拟了基坑开挖过程中周围应力场及渗流场的变化规律。计算结果表明：在设置挡土墙并及时排水情况下,随着开挖的进行,基坑周围的土体变形增大,挡土墙前的土体发生沉降,墙体最终发生变形,基坑底部土体向上隆起,在基坑角落处水头梯度较大,发生应力集中,容易导致工程事故,必须谨慎处理。另外,基坑在降水时内外水头差过大将会引起墙体承受过大压力,基坑周围沉降会更大,这样不利于墙体和周围建筑安全。     

连续墙周围的地下水渗流特征及数值模拟

本文以上海市彭越浦泵站降水工程为例,分析了连续墙周围地下水的渗流特征:上部地下水不连续,底部地下水连续,呈三维流态。根据场地的工程地质与水文地质条件,提出了粘弹性越流含水层组三维修流数学模型,并进行了数值模拟。计算的结果基本上反映了连续墙周围地下水三维流特征。     

裂隙岩体渗流场分析及其三维有限元程序设计

针对水工建筑物裂隙岩基渗流场计算,采用双重介质解法编制了三维有限元裂隙渗流计算程序,用水量交换项耦合主干裂隙网络及裂隙岩块,自由面位置的确定使用自由面虚点法迭代逼近,得到了合理的计算结果。计算使用ANSYS建立渗流模型并剖分网格,相应的前处理子程序降低了裂隙渗流计算的复杂性,提高了裂隙渗流理论计算方法的可用性。     

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。     

基于蒙特卡罗随机有限元法的三维随机渗流场研究

通过建立改进Latin超立方抽样和对偶抽样相结合的复合抽样法,以提高Monte Carlo方法的计算效率,并将其引入Monte Carlo随机有限元（MSFEM）。基于三维有限元模型,采用MCSFEM对山坪土石坝进行随机渗流场分析,研究渗透系数和水头边界条件的随机特性对渗流场的干扰,进行变异系数和抽样次数的敏感性分析。最后,对渗流场的求解量进行概型分析。研究表明：总水头势、流速及渗透体积力的变异性随着渗透系数随机性的增强而变大;复合抽样法既能有效加快Monte Carlo的收敛速度,又能降低样本间的统计相关性,说明了该方法的实用性与有效性;当渗透系数服从正态分布时,渗流场中所取结点的水头和坡降也服从正态分布。     

Investigation of a hybrid polygonal finite element formulation for confined and unconfined seepage

This study presents a formulation for field problems using hybrid polygonal finite elements, taking steady state seepage through a porous material as the focus. We make comparisons with a conventional finite element formulation based on a single primary variable, focussing on the advantages of the hybrid formulation in terms of flux field accuracy and extension to convex polygonal shaped elements. For the unconfined case, we adopt a head dependent hydraulic conductivity that does not require remeshing. The performance of the hybrid polygonal element formulation is demonstrated through a series of numerical examples. The results show a sensitivity of the location of the free surface in unconfined seepage to mesh configuration for hybrid quadrilateral meshes with various aspect ratios, but not for hybrid polygonal meshes with various orientations and irregularity. Examination of the free surface location results for several conforming shape function options shows an insensitivity to choice of interpolation function, provided that it conforms with the assumptions in the formulation. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

二维非恒定渗流的有限元并行计算

建立了二维非恒定渗流的有限元并行计算模型,在windows操作系统下实现了基于消息传递的二维渗流的有限元并行计算。模型采用广义极小残余算法(GMRES)对方程组进行并行迭代求解,通过分析数据执行时的相关性和检验算法结构的固有串行性,将原有串行算法中的算法元直接并行化。对溪洛渡上游围堰的渗流分析进行了并行数值模拟,并针对水位骤降情况下非恒定渗流进行了并行计算,证明了模型的合理性。对模型进行了加速比测定,可以看出并行计算的效率随着问题规模的增加而逐渐提高。     

无压渗流问题分析的多节点有限元方法

采用基于平均值插值的多节点有限元方法分析有自由面渗流问题。在自由面附近采用多节点单元逼近自由面,利用平均值插值建立多节点单元的形函数,在远离自由面的区域采用四边形/三角形单元剖分。给定一个初始自由面位置,通过对渗流控制方程的多节点有限元求解,根据自由面上节点水头值判断自由面节点的调整方向和大小,最终迭代求出自由面的位置。土坝渗流问题的数值分析表明了所提方法的有效性和足够的计算精度。     

油藏多相渗流的面向对象有限元程序设计

近年来,面向对象的编程技术越来越受到人们的重视,并用来解决和模拟各种物理问题和工程问题,特别是在有限元方法编程和模拟中得到了广泛地应用。介绍了面向对象的程序设计方法和它与有限元程序相结合的原理和优点。在此基础上提出了面向对象有限元方法在油藏多相渗流中的应用实例,并按照面向对象的程序设计方法,基于Windows XP平台采用Visual C++.NET语言,建立了有关描述多相渗流的有限元模型的类,给出了类的描述和它的实现方法。建立的相关类及其实现方法主要包括处理矩阵计算的类、节点类、单元类、材料类、形函数类等。据此编制了油藏多相渗流的有限元分析的数值计算程序,并给出了一个数值实例。     

金沙峡电站闸坝区渗流场有限体积法数值模拟

为实现泄冲闸、进水闸和土坝结合部位三维渗流场真实区域的数值模拟,采用有限体积法对含排水孔在内的闸坝区三维渗流场进行了网格划分。根据计算结果可知,闸基处防渗墙效果微弱,溢出点垂直坡降大于允许值,对工程不利,并提出了相应的改进措施。