渗流场求解的改进排水子结构法

针对排水孔孔径小、数目多及渗流自由面位置未知的特点，把能准确模拟排水孔实际渗流行为的改进排水子结构技术与固定网格求解有自由面渗流问题的结点虚流量法相结合，解决了排水孔穿过自由面时渗流场的求解问题。作为推广应用，列举了几种典型的排水子结构模式，给出了两个应用算例     

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。     

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。     

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。     

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。     

有自由面渗流分析中密集排水孔幕的数值模拟

为准确模拟有自由面渗流场中密集排水孔幕的渗流行为,提出排水孔连续剖分新模式,避免了排水子结构算法中排水孔与整体网格不连续带来的计算困难,并在顶排型排水孔孔端设置虚拟的"渗流开关器",来实现对其作用的甄别。当排水孔失效,"开关器"关闭时只需把孔内结点作为内部点,避免了对失效排水孔按边界再处理的麻烦。排水孔的连续剖分和"开关器"的设置,既可以精细的模拟每个排水孔的作用、解决自由面穿越排水孔问题,又使大规模密集排水孔的模拟大为简化。算例验证了该方法的准确性和实用性。     

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。     

碾压砼坝的渗控分析研究

碾压砼坝因存在水平施工缝,其渗流特性、渗控技术及施工对策等较常规砼坝要复杂得多。本文借助于固定网格求解有自由面渗流问题的“节点虚流量法”,用较精细的三维有限元数学模型对碾压砼坝的渗流特性进行了计算分析。在建立模型过程中,着重介绍了对坝身层面缝隙的强透水性、坝内排水孔和廊道洞室的渗控行为以及坝基排水井作用等的合理数学模拟方法.基本上解决了碾压砼坝渗流计算分析的数学建模问题。文中结合铜街子牛日溪沟1号坝的设计施工情况,根据27个方案,进行了分析讨论,并给出笔者的建议。     

数值流形方法及其应用介绍

对数值流形方法作了简单的介绍,并就其在裂纹扩展,有自由面渗流问题及ｐ－型自适应分析中的应用进行了讨论。     

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.     

节点剖分法在城区地下水计算中的应用研究

 城区渗流场中地下阻水结构物众多,由于结构物角点为奇异点,而且结构物的尺寸跟整个渗流场的尺寸相比起来非常小,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、绕流等理论,采用剖分节点并在节点上施加流量,从而形成等阻水效果的方法对结构物进行等效模拟。首先研究单个结构体元素绕流的模拟问题,然后研究渗流场的迭代计算问题。在这些理论的基础上,开发相应的有限元计算程序并通过算例进行验证。     

基坑开挖整体稳定性分析的孔隙水压力计算

探讨了有支护基坑整体稳定性分析中的孔隙水压力计算问题，着重讨论了稳定渗流引起的孔隙水压力计算与传统有自由渗流面的边坡稳定计算的不同之处，指出某些情况下进行基坑整体稳定分析之前应先进行流网分析。     

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。     

基于区间有限元的渗流分析

对于渗流问题,特别是地下岩体中的渗流,由于条件复杂随机性,具有不确定性。结合区间分析基本理论,给出了裂隙网络渗流区间控制方程。并结合算例利用Monte-Carlo区间分析方法对层状裂隙隙宽为区间变量的流场进行了渗流分析。     

裂隙岩体非恒定渗流场与弹性应力场动态全耦合分析

为更真实地反映在环境条件变化以及施工过程等因素作用下渗流场和变形场的行为规律，在裂隙岩体介质小变形的假定下，基于不可压缩水流在复杂应力状态作用下的裂隙岩体介质中运动的一般方程，建立两场动态全耦合的有限元数值模拟方法。在耦合分析中采用统一域混合模型模拟渗流场，对弹性变形场的模拟则采用多裂隙岩体介质和离散裂隙介质分别模拟的方法。对建立的耦合模型采用四自由度全耦合法结合有限元数值方法直接求解，对无压流中自由面的处理则采用固定网格法中的改进初流量法。最后针对水库裂隙岸坡算例，进行能模拟水库蓄水加载过程的静态、动态耦合有限元分析，揭示水库蓄水过程中裂隙岸坡位移场和渗流场的基本变化规律。分析结果表明，考虑蓄水过程中渗流的动态效应时，将会使水库岸坡产生较大的差异沉陷，从而对岸坡的稳定性产生不利影响，对于缓慢蓄水过程可以近似作为静态问题处理。     

潜水井三向非稳定渗流的有限元解法

本文根据变分原理,对适合达西定律的无压地下水三向非稳定渗流的一般定解问题式（1）提出了用有限元法计算水头分布和渗流量的公式,即式（19）和式（20）。并通过抽水井算例,证明它们对求解有自由面的三向非稳定渗流问题,是一种可行的数值方法。     

双层堤基管涌通道扩展机制和计算方法研究

双层堤基管涌通道是否扩展,取决于砂层颗粒条件、通道内冲刷水流和边壁渗流力等因素。通过分析通道边壁颗粒的受力平衡条件,引用河流动力学的相关公式,考虑砂粒相对暴露度、脉动流速、起动标准和管涌通道水流特性等因素提出通道扩展的判定条件。用2个砂槽模型试验研究冲刷水流和边壁渗流力的不同组合对通道扩展的影响,并用一维渗透试验证实渗流溢出面附近实际坡降远小于平均坡降的现象,说明提出渗流力有效比参数的合理性。在上述研究的基础上,用通道边壁稳定条件控制,建立有限元计算迭代流程,对管涌通道的扩展进行了数值模拟,并与试验结果进行对比,验证该方法的可行性。