MODFLOW模拟自由面渗流的应用与讨论

MODFLOW是目前国际上最为流行的地下水模拟工具。当渗流场中存在自由面穿越不同的模拟层单元时,MODFLOW提供了一种干湿单元转换的方法进行处理。这是与有限元法不同的自由面修正技术。通过河间地块模型和土坝渗流模型两个算例,对MODFLOW模拟自由面渗流问题进行了尝试性的应用,模拟过程中使用干湿单元交替技术处理自由面、使用Drain模块近似处理渗出面。结果表明上述两种处理方法的确增强了MODFLOW模拟自由面渗流问题的功能,但其有效性和精确性还有待进一步论证。     

有自由面非稳定渗流分析的改进截止负压法

截止负压法是求解有自由面渗流问题较为有效的算法之一。针对其算法特点,结合渗流本质,指出该算法的不足之处在于只引用了单参数的罚函数,从而造成自由面附近区域的渗流计算不够精确。为此,提出了引用双参数罚函数的改进截止负压法,改进后的算法更能准确地考虑单元的部分饱和非饱和作用,精确地计算单元结点外力或者结点不平衡力,进而提高计算精度和收敛速度。最后,将改进算法用于求解有自由面非稳定渗流问题,编制了相应的有限元分析程序,并通过算例进行验证。     

Trefftz直接法解渗流自由面问题

提出具有自由面渗流问题的Trefftz直接法,首次用Trefftz直接法求解了该边界非线性问题,避免了常规边界元法奇异积分的困难和有限元法网格变动的麻烦。以均质土坝的稳定渗流问题和非稳定渗流问题为算例,结果表明,Trefftz直接法在渗流自由面问题计算中具有计算量小、精度高以及收敛性好等特点。     

利用初流量法分析有自由面渗流问题之改进

在利用初流量法分析带有自由面的渗流问题时,常因采用高斯积分点作为结点初流量计算判断依据所带来的误差而令解出现振荡。为了减低这一因素的影响及提高计算的效率,针对常用的 4 结点平面单元和 8 结点 6 平面三维单元的自由面方程进行分析,提出采用坐标变换和等参变换等技术来改造结点初流量的计算,并建议按自由面穿越单元之状况引用分部积分,使其积分上、下限符合高斯积分法的格式化要求,从而可利用高斯积分法求出精确的结点初流量,而精确的结点初流量则有助于改善解的振荡及提高计算结果的精度。通过一矩形均质坝实例分析,表明该方法的稳定性和收敛性良好。     

含复杂裂隙网络岩体渗流特性研究的复合单元法

研究含复杂裂隙网络岩体渗流特性的复合单元法，该方法首先利用蒙特卡罗方法随机生成符合给定概率分布特征的复杂裂隙网络；然后通过叟切和拓扑运算将各裂隙段置于常舰有限单元内部，形成内含由多个裂隙段分划而成的子单元的复合单元，根据推导的公式计算渗流场进而分析岩体的渗透特性。该方法具有以下几个主要特点：（1）可与传统的有限冗法融合;（2）可考虑每条裂隙的具体位置、产状、开度、长度和渗透性质；（3）可考虑岩石的渗透性及其与裂隙间的流量交换；（4）可计入不连通裂隙对渗流场的影响；（5）复合单元的拓扑信息由裂隙网络与常规有限单元边界的交切及其单元内部裂隙段的相互交切面生成，由于先没有考虑裂隙，故复合单元前处理简单。用复合单元法分析含复杂裂隙嘲络岩体的渗流行为及其渗流特性是一种新的数值模拟手段。算例分析表明该方法的可行性和有效性。     

含排水孔渗流场的p型自适应复合单元法分析

用复合单元法进行渗流分析时，视排水孔为强渗透介质，并将其作为“空气子单元”置于常规岩（土）体单元内部，形成涵盖排水孔的复合单元。复合单元法的计算网格可以较为“粗糙和随意”。但山于在排水孔附近流场，变化剧烈，常规的低阶形函数已不能满足精度要求。采用P型自适应技术提高复合单元的形函数阶次后，就能够较好地模拟排水孔附近处的渗流场。应用P型自适应复合单元法，可以将复杂的前处理问题转化为复杂的计算问题，从而极大地降低了对网格剖分的要求，当排水孔的位置发生变化时，也无需改变计算网格。算例分析表明该方法的优越性。     

渗流分析中排水孔和不连续面模拟的复合单元法

基于变分原理,研究渗流分析中模拟排水孔和不连续面的复合单元法。该方法将不连续面隐含于复合单元之中,并根据其切割情况将该岩体单元划分为若干个岩块子单元,同时视排水孔为强渗透介质,并将其作为“空气子单元”置于复合单元内部,但排水孔和不连续面无需在计算网格中绘出。复合单元法可以方便地处理排水孔穿越不连续面的情形,并且计算网格可以不受不连续面和排水孔的数量和位置的影响。如果计算域中不含排水孔和不连续面,复合单元法将自动退化为常规的有限单元法。该方法可以降低网格剖分的难度,提高计算效率,算例分析表明该方法是有效和可靠的。     

裂隙岩体非稳定渗流的复合单元算法

 针对裂隙岩体渗流非连续、非均质和各向异性的特点,提出裂隙岩体非稳定渗流的复合单元算法,给出详细的计算格式和数值处理的关键技术,包括复合单元的前处理、求解自由面边界流量项的积分方法以及溢出边界的判断准则。该算法的特点是：(1) 可准确地离散岩体内任意分布的裂隙;(2) 可考虑岩块的渗透性及其与裂隙间的水量交换;(3) 可与传统有限单元计算程序无缝整合;(4) 复合单元的拓扑信息由裂隙面和常规有限单元的交切计算生成,由于事先未考虑裂隙的存在,极大地减轻了人工剖分网格的工作量;(5) 对裂隙岩体非稳定渗流过程中裂隙与岩块渗流不同步的现象具有较强的描述能力,并能提供近似于有限单元法的计算精度。通过典型砂槽试验验证了该算法的正确性和有效性。最后,对裂隙岩体进行非稳定渗流分析,计算结果很好地反映了岩体内水压力的传递过程,实现了对裂隙与岩块因水力特性不同而导致的不同于整体流向的局部流动的模拟。     

混凝土重力坝稳定渗流场数值模拟研究

利用热传导与水渗流的相似性,运用大型通用软件ANSYS的热分析模块对混凝土重力坝稳定渗流场进行模拟计算。以青海省某混凝土重力坝非溢流坝坝段为算例,在ANSYS计算过程中,采用死活单元技术,并对过渡区的单元进行传导矩阵修正,运用自由面适应网格方法,得到渗流场分布。为验证计算结果的准确性,将ANSYS结果与传统渗流分析软件Seep／W结果进行比较,结果表明ANSYS热分析模块对混凝土重力坝稳定渗流场进行数值模拟计算的可用性。     

二维任意裂隙网络裂隙–孔隙渗流模型的两种解法

 与裂隙网络渗流模型相比,裂隙–孔隙渗流模型(双重介质渗流模型)假定裂隙及裂隙切割而成的岩块均透水。这样可以只考虑较大裂隙形成的裂隙网络,而岩块及其内部的较小随机裂隙均作为连续孔隙介质进行渗流分析,从而减少裂隙网络中的裂隙数量以增加计算容量。讨论裂隙–孔隙渗流模型研究存在的问题,归纳剖析2种解法,即整体求解法与流量交换法。整体求解法中,裂隙作为有一定宽度的介质并划分为实体计算单元,与岩块单元的单元渗透矩阵合并成总体渗透矩阵进行求解。裂隙实体单元无需在网格划分时划出,只需在计算程序中对裂隙节点进行扩展。流量交换法中,裂隙系统和岩块系统分别形成渗透矩阵和渗流方程组,分别计算2个系统的渗流,2个系统之间通过流量交换,最终实现流量平衡和同一节点的水头一致,并指出水交换量只修正下游节点的渗流平衡方程。通过算例,比较2种解法的特点。还提出任意封闭回路在不增加节点前提下的三角形划分法。     

有限单元法在土坝三向稳定渗流中的应用

本文阐述了有限单元法求解具有浸润面的土坝三向稳定渗流场的原理和方法。并利用有限单元法的特点给出在均质土坝和非均质土坝上调整浸润面和渗出段的方法和计算任意形状过水断面的渗流量方法。文中还详述了在国产TQ-16型计算机上实现具有一定规模的土坝三向稳定渗流问题有关的技术。最后结合实际工程对均质和非均质渗流场进行了计算分析,经与原体观测资料对比,二者颇为接近,从而为广泛应用电子计算机计算土坝三向渗流问题提供了经验.     

岩体裂隙网络渗流自由面的确定方法

自由面包括潜水面和溢出面等。在地下水流分析中, 渗流自由面位置的确定至关重要。对于多孔连续介质渗流来说, 渗流自由面可用初流量法确定, 渗流自由面是一个连续的曲线;对于非连续的裂隙网络渗流来说,渗流自由面可用文中提出的迭代法进行,其渗流自由面是一个非连续的曲线, 即在裂隙处为潜水位, 在岩块处为承压水位。     

渗流问题的弱形式求积元分析

对于渗流问题的研究在很多领域有着广泛的应用,工程中通常采用有限元法对其进行数值求解,这往往需要耗费较大的计算资源从而限制了其计算规模。弱形式求积元法是一种简单和高效的数值方法,该方法基于问题弱形式描述,可对全域进行高阶近似,具有较快的收敛性,在结构分析领域已有广泛的应用。将弱形式求积元法应用于渗流问题的求解,分析了二维及三维渗流问题,包括承压渗流和无压渗流;对于无压渗流,采用变网格方法,使用积分点位置的多项式插值来近似表示自由面。求解了数值算例并得到了与解析解或者文献解一致的结果。结果表明:与有限元法相比,弱形式求积元法使用较少的自由度就可以得到收敛的结果,显示了弱形式求积元法在渗流分析中的有效性。     

丰满混凝土重力坝渗流特性分析

根据丰满混凝土重力坝现场渗流观测资料数据,采用非线性最小二乘法识别坝体混凝土和坝基岩石的渗透系数。基于大坝渗透系数的识别结果,采用三维有限元法分析了大坝坝体和坝基的渗流场。渗流场自由面位置的确定采用压缩网格法,经迭代求得。大坝渗透系数识别采用迭代方法进行,其中搜索方向由Levenberg-Marquardt法确定。工程实验应用表明,所提出的三维非承压水参流场分析和大坝渗透系数识别方法是非常有效的。     

岩体渗流-应力耦合有限元计算的精细积分方法

在Biot固结方程的基础上，引入介质渗透系数张量随应力张量的变化函数，建立能反映介质中应力场与渗流场非线性耦合作用的微分方程组，并在此基础上进行渗流-应力耦合问题的有限元求解。在有限元计算中采用精细积分方法进行时间离散，即可得到渗流-应力耦合有限元计算的解耦形式，也避免传统的时间差分法收敛速度慢、计算精度低、迭代过程易振荡的缺陷。结合工程实例，检验所提出算法的有效性。     

基于激光点云数据的裂隙岩体渗流场的无单元法模拟

 利用三维激光扫描技术获取岩体表面高精度激光点云数据,进而得到岩体裂隙网络的几何信息和产状分布情况。研究基于激光点云坐标数据求解含复杂裂隙网络岩体二维渗流场的无单元法,采用罚函数法处理渗流边界条件,并推导无单元Galerkin法的基本方程和积分格式。该方法首先将激光点云数据经坐标投影和抽稀后作为无单元模拟的节点坐标数据;然后结合岩体裂隙网络的几何信息,采用无单元法计算渗流场,进而分析岩体的渗透特性。该方法具有以下优点：(1) 可以精确获取高陡边坡的裂隙产状、位置坐标、长度和开度等几何信息;(2) 直接将激光点云作为无单元法节点,减少生成裂隙网格和生成节点坐标的工作;(3) 将裂隙网络采用裂隙渗透张量表示,可以对非连通裂隙、不同开度和不同充填程度的裂隙进行模拟。在此基础上,应用IDL编制基于海量激光点云数据的岩体裂隙产状分析和无单元法渗流场数值模拟软件LIDAREFM,并计算怀柔县桥梓镇一裸露岩石边坡的渗流场。计算结果表明,该方法是可行、有效的,计算得到的渗流场分布及特性能够反映岩体裂隙网络对渗流场的影响。该方法为研究裂隙岩体真实渗流场分布提供了一种新的研究思路。     

基于蒙特卡罗积分的无网格伽辽金法及其在渗流分析中的应用

无网格法在处理有限元法难以解决的问题时具有显著的优势,且前后处理比较简单。无网格伽辽金法(Element-free Galerkin method,EFG)是无网格法的一种,它采用滑动最小二乘法近似场函数,计算精度较高,且有较好的稳定性,在结构和渗流分析中受到欢迎。但EFG方法需要背景积分网格进行高斯积分,离真正的"无网格"方法还有一定距离。对其积分方法进行改进,采用蒙特卡罗方法(Monte Carlo)进行积分运算,由此提出了基于蒙特卡罗积分的无网格法(MCEFG)。从而摆脱EFG方法对背景积分网格的依赖,使之成为真正意义上的无网格方法。基于MCEFG方法的渗流分析程序对有自由面的渗流问题进行了较好模拟。该方法可以推广应用到其他需要背景积分网格的方法中,从而使无网格法真正与网格脱离。