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。     

关于“堤坝非稳定渗流试验研究与计算”一文讨论及终结讨论

<正> 下面准备对地下水非稳定渗流的数学模型以及模型试验研究等方面的问题谈些意见,供原作者参考。一、地下水非稳定渗流的数学物理方程1.具有自由表面的非稳定渗流在研究浅层地下水渗流问题时,系基于假定土体骨架和流体为不可压缩的前提下导得的,其渗流方程表达式如原文式（5）。该式的形式虽与稳定渗流方程一致,但在求解过程中其自由面边界是随时间t而改变,故它归结为一个与时间有关的动边界问题,显然在自由面处应满足下面的边界条件     

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。     

非稳定渗流用截止负压法求解的研究

在稳定渗流截止负压法的基础上，通过进一步的研究，将其推广应用到三维非稳定渗流分析中，建立了与之相应的非稳定渗流求解方法。实际工程算题表明，该方法具有理论严谨、收敛速度快、计算精度高的特点，是稳定渗流和非稳定渗流分析中的有效方法。至于截止负压法对于非饱和渗流分析的适应性，尚有待于作更深入的研究，尤其是最大负压的取值问题。     

考虑非达西渗流半径的气井不稳定渗流产能模型

为研究低渗、储层厚度和孔隙度较大气藏的气井非达西渗流边界影响,基于气井非达西渗流区域的划分,推导了非达西渗流半径和非达西渗流压力损失计算公式,根据气体不稳定渗流基本微分方程,建立了基于非达西渗流边界的气井不稳定渗流产能计算新方法,结合气井实例,进行了产能计算和影响因素分析。研究结果表明:在开采的初期阶段,非达西渗流半径和非达西渗流压力损失迅速下降,对气井产能的影响较大;考虑非达西渗流半径计算的产能高于非达西渗流半径趋于无穷大的产能;随着基质渗透率的减小以及储层厚度和孔隙度的增加,考虑非达西渗流半径与非达西渗流半径趋于无穷大,2种条件预测的日产气量差值越大。     

堤坝非稳定渗流观测资料分析方法

堤坝在实际运行中由于上游水位的不断变化，渗流状态是非稳定渗流。由于其边界条件复杂多变，参数很难确定，使得非稳定渗流的求解变得非常困难。在目前观测资料渗流分析中，仍采用稳定渗流方法。应用非稳定渗流理论，借鉴目前简单边界已有的结果，提出了一个新的非稳定渗流近似计算模型。利用已有测压管观测资料，求出非稳定渗流的半经验半理论公式的近似解，并进一步求出测压管水位在上游水位逐日变化的情况下，测压管水位日变化量的计算方法。用此方法计算了实例，与观测结果符合良好，计算值与实测值误差很小，一般仅几厘米，成果理想。求出近似的位势值，比较不同年份位势的变化，可作为工程防渗能力变化及防渗能力的评价指标，用于评价工程防渗状态的变化，应用于大坝安全监测评价中。     

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.     

非稳定渗流对基坑整体稳定性的影响

通过模拟降水过程中基坑的非稳定渗流,分析了降水过程中基坑整体稳定性的变化规律,探讨了非稳定渗流、基坑降水方案和渗透系数对整体稳定安全系数的影响。分析结果表明,渗流对基坑整体稳定性不利。在设计时只有充分考虑地下水渗流的影响,才能保证设计的安全性;渗透系数对整体稳定性的影响较大,对于渗透系数较大的土体,设计时可以按照稳定渗流计算基坑整体稳定安全系数,但要充分考虑降水速度的影响。     

考虑应力场与渗流场耦合的尾矿坝非稳定渗流分析

根据尾矿坝形成的特点，进行考虑应力场与渗流场耦合的非稳定渗流分析。根据弹性力学和渗流理论提出了耦合问题的力学模型及其控制微分方程，然后导出这一问题的有限元计算公式及相应程序。在计算中首次导出了尾矿坝的渗透系数与应力场的关系式，并进行尾矿坝的非稳定渗流分析。工程实例计算结果表明，考虑耦合作用的影响，尾矿坝渗流场的总渗流量减小，而应力场的各应力分量的最大值增大。     

稳定渗流时基坑侧向水土压力计算

分析了用朗金土压力或“水土分算”理论计算基坑支护结构上的水土压力时,由于忽略了地下水渗流的影响,对于渗透性强的土体,其计算结果与实测值相差较大的问题,对此问题,提出了地下水稳定渗流时,渗流作用对水土压力影响的计算方法,并用实例进行了计算比较,本文的计算结果能更好地符合工程实际。     

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。     

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。     

改进复合单元渗透矩阵调整法求解自由面三维渗流场

针对现有复合单元渗透矩阵调整法解决无压渗流问题的不足,提出了改进复合单元渗透矩阵调整法。将自由面单元分为干、湿单元以及过渡单元,对于自由面穿越的过渡单元,采用双参数罚函数法,按流量等效将渗流实区渗透系数进行调整,以便更准确地考虑单元的部分饱和和非饱和情况。该方法克服了高斯点附近积分值的不稳定问题,提高了计算精度和收敛速度。同时对有自由面渗流的自由面边界积分问题,提出了一种新的算法。经实例和工程验证,该方法有效可行。     

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。     

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。     

超高心墙坝非稳定渗流三维有限元分析

水库蓄水和放空过程对土石坝渗流安全产生重要影响,300 m级超高心墙坝渗控方案是筑坝关键技术难题之一。结合300 m级砾石土心墙堆石坝工程,通过建立整体三维有限元模型,模拟大坝运行过程中水库蓄水和放空过程,分析库水位变化条件下心墙等区域的浸润面和渗透坡降变化,研究水位变化速率对坝体渗透稳定性的影响。数值模拟结果表明,蓄水时随着库水位的升高,自由面在心墙内形成陡降并自上游侧向下游侧不断发展。蓄水历时越短、水位上升速率越快,心墙内形成的浸润面越陡。放空时随着库水位的下降,心墙内水位下降有所滞后,自由面在心墙内形成凸形面。放空历时越短、水位下降速率越快,心墙内形成的凸形浸润面落差越大。     

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。     

水布垭地下厂房围岩渗控效应数值模拟与评价

 为减小水布垭地下厂房厂区渗漏并改善厂房围岩的渗透稳定性,工程设计采取防渗帷幕、排水孔幕和排水洞等防渗排水措施。为确保数值计算的稳定性和收敛性,采用Signorini型变分不等式和自适应罚函数相结合的稳定渗流分析方法,对厂房围岩的长期渗控效应进行计算分析;同时,采用基于等效模拟的整体模型分析和基于精细模拟的子模型分析相结合的方法,以减小有限元建模难度并协调计算量和计算精度之间的矛盾。建立评判渗流计算成果合理性的直观准则,即稳定渗流自由面在任意均匀介质内部必连续光滑且不产生回弯,除非自由面穿过渗透性相差悬殊的2种介质之间的界面。结合厂房围岩渗压监测数据,阐明运用上述方法求解含排水孔幕渗流问题的可行性和有效性,论证渗控设计的合理性和进一步优化的可能性。研究成果对类似工程渗控措施的优化设计具有指导意义。     

渗流作用下土坡圆弧滑动有限元计算

分析了土坡滑动稳定性计算的条分法及其存在问题 ,并提出了圆弧滑动的有限元法 ,以三角形单元的渗透力取代垂直条块周边的水压力 ,正确考虑了渗流方向及其力矩的影响 ,不仅提高了计算精度 ,而且连续计算渗流与滑坡 ,使计算过程简便迅速。