三维各向异性随机渗流场参数敏感性分析

在三维各向异性非均质稳定随机渗流场的随机有限元分析的基础上研究了长江荆南干堤渗流场中随机参数和随机边界条件对随机渗流场模拟结果的影响和随机参数与随机边界条件的随机敏感性分析。通过统计模拟和假设检验,建立并验证了长江荆南干堤渗流场内服从独立正态分布的渗透系数随机序列{k}。在对荆南干堤渗流场随机特性和随机边界条件的敏感性分析中讨论了堤防土层的地质结构特性、堤防渗透变形及破坏的特征、堤防渗透参数的敏感性;分别研究了上下游水头随机边界条件的敏感性、垂直防渗边界条件的敏感性及减压(导渗)沟随机特性的敏感性。实现了对干堤典型段渗流场的较为全面的随机模拟和分析,得到的结论通过统计检验并结合实测工程数据对照证明是可靠的,程序的研制是适用的。     

堤防渗流场参数敏感性三维随机有限元分析

采用随机有限元分析方法,研究了长江荆南干堤的三维各向异性非均质稳定随机渗流场中的随机参数和随机边界条件对渗流场模拟结果的影响,并进行敏感性分析.通过统计模拟和假设检验,建立并验证了该干堤渗流场内服从独立正态分布的渗透系数张量;讨论了堤防土层的地质结构特性、堤防渗透变形及破坏的特征、堤防渗透参数的敏感性;研究了上、下游水头随机边界条件、垂直防渗边界条件以及减压(导渗)沟随机特性的敏感性.实现了对渗流场的全面随机模拟和分析,得到的结论通过统计检验,并根据实测工程数据对照证明是可靠的.     

渗透系数空间变异性对堤基渗透稳定影响的数值模拟

土性参数变异性较大是堤防工程风险管理面临的问题之一。在分析土体渗透系数空间变异性的基础上,通过随机数值模拟研究了堤防渗流场统计特征和堤基渗透稳定性。将土体渗透系数作为随机场,采用转动带法进行随机抽样模拟,通过蒙特卡罗方法分析渗流场分布,并计算堤基渗透失稳概率,结合堤防工程进行了计算分析。结果表明,渗透系数的空间变异性对渗流场有较大影响,随渗透系数和临界比降的变异性增大,容易造成局部渗流集中,堤基渗透失稳概率增大。     

隧道穿越段长江大堤渗流稳定性分析

某长江隧道盾构机穿越江北大堤后,堤身出现裂纹且累计沉降较大,工程采用深层搅拌桩对堤身进行加固。为了检验深层搅拌桩对长江大堤堤身加固后的渗流稳定性,采用三维饱和-非饱和渗流有限元法,根据具体的工况建立了大堤的有限元渗流分析模型,并运用该模型分析了历史最高水位条件下加固后大堤的渗流性态。计算结果表明:深层搅拌桩消减水头的作用明显,土体渗透系数越大,深层搅拌桩的阻水作用越明显;堤身与堤基的渗透坡降均小于相应土体的允许渗透坡降,加固后长江大堤的渗流性态是正常的、安全的。     

Stochastic simulation of fluid flow in porous media by the complex variable expression method

A stochastic simulation of fluid flow in porous media using a complex variable expression method (SFCM) is presented in this paper. Hydraulic conductivity is considered as a random variable and is then expressed in complex variable form, the real part of which is a deterministic value and the imaginary part is a variable value. The stochastic seepage flow is simulated with the SFCM and is compared with the results calculated with the Monte Carlo stochastic finite element method. In using the Monte Carlo method to simulate the stochastic seepage flow field, the hydraulic conductivity is assumed in three different probability distributions using random sampling method. The obtained seepage flow field is examined through skewness analysis, and the skewed distribution probability density function is given. The head mode value and the head comprehensive standard deviation are used to represent the statistics of calculation results obtained by the Monte Carlo method. The stochastic seepage flow field simulated by the SFCM is confirmed to be similar to that given by the Monte Carlo method from numerical aspects. The range of coefficient of variation of hydraulic conductivity in SFCM is larger than used previously in stochastic seepage flow field simulations, and the computation time is short. The results proved that the SFCM is a convenient calculating method for solving the complex problems.     

南京江宁区长江干堤应急加固渗控方案

基于稳定饱和渗流基本理论,采用等效连续介质模型,建立了南京市江宁区长江干堤有限元模型,对垂直防渗墙、黏土铺盖、排水褥垫以及深层搅拌桩等4种渗流控制措施进行了分析和比较,并计算了堤体及周围土体的渗流特性和渗透破坏情况。计算结果表明,采用(混凝土)防渗墙和利用深层搅拌桩处理可达到堤防防渗和加固的效果。     

强弱透水相间深厚覆盖层坝基的渗流分析

覆盖层深厚且为强弱透水互层的闸坝基础在我国西南部河流中很常见，防渗墙通常作为坝基渗流控制设施。渗流有限元计算中，该种坝基上下游覆盖层截断边界面位置及其边界条件的设置往往是影响结果的重要因素，对其确定方法的研究具有重要的实用意义。提出了渗流计算中采用缩尺单元方法分析坝基覆盖层截断面边界合理位置的方法。该方法只需要一个计算网格就可实现合理截断面边界位置的确定和正式的渗流计算分析。硬梁包水电站坝基为典型的强弱透水互层，其渗透系数差异达到了3个数量级。初步设计方案稳定渗流计算工况对渗流量基本不影响的上下游不透水截断边界面的位置离坝轴线远达40~80km。尽管河谷宽度与水位差之比高达16，该坝基相对不透水土层的局部缺失使渗流场有显著的三维特征。计算结果中防渗墙毗邻区域弱透水土层内的渗透坡降数倍于允许坡降，然而这些部位在防渗墙完整的前提下渗透破坏的风险却很小。渗透坡降的方向特征及渗透变形发生后的演化特征对渗透稳定风险评价是很重要的。     

渗透系数空间相关性对渗流场统计特征影响分析

渗透系数的空间变异性是影响渗流场不确定性的重要因素。将渗透系数作为各向同性对数正态平稳随机场,通过数值模拟研究渗透系数空间相关性对渗流场统计特征的影响。选取了3种具有代表性的相关函数模型,即指数模型、高斯模型和球状模型,分别以渗透系数的相关距离和变异系数为变化因子对水头方差作敏感性分析。结果表明,渗透系数相关函数模型的选取、相关距离和变异系数的取值对水头方差具有较大影响。     

基于IGW的各项异性地层渗流数值计算分析

渗流严重危害着水利工程,以往渗流分析集中在各项同性,但近些年对某些复杂地层的研究,发现地层渗流表现出强烈的各项异性,而且各项异性的危害性比各项同性更大。为了实现对土石坝各项异性地层的二维渗流场真实区域的数值模拟,利用IGW数值模拟软件,基于孔隙介质模型,求解土石坝各项异性地层的渗流场,对正常蓄水位渗流场进行模拟分析。结果表明,坝体浸润线随各项异性的增大而逐渐抬高,浸润线出逸点坡降逐渐变小;增加各地层渗透系数(K)值,地基渗透流量(Q)随渗透系数的增加而加大,浸润线逸出坡降也加大,结果可为土石坝各项异性地层渗流计算及工程所需的合理防渗措施提供依据。     

龙家山堤防工程复合灌浆新工艺及渗控优化研究

龙家山水电站库区一段堤防工程,堤内直接挡水,堤外承担防护;堤基为古河床冲击层,深厚强透水砂卵砾石分布不均,堤身为中等透水的素填土、砂层;防护区内渗漏问题严重,常规防渗措施处理难度大、成本高。为减少堤防渗漏并改善堤身的渗透稳定性,通过现场试验研究,提出复合灌浆新工艺对堤防进行防渗处理。通过对堤防进行三维有限元模拟,分析灌浆前后堤防渗流场分布特征,比较分析渗漏量及物探成果,优化提防灌浆防渗工程。研究表明,龙家山堤防自然条件下渗漏问题严重;复合灌浆新工艺可有效解决堤防渗漏问题,形成的防渗帷幕对堤防渗流控制效果显著;灌浆防渗工程优化后可大幅减少工程量、节省投资,复合灌浆新工艺可推广应用于类似工程。     

某长江大堤盾构隧道变形裂缝渗流控制加固方案

某长江隧道工程施工期间,盾构机穿越长江大堤时,穿越段大堤发生沉降,地面出现裂缝,严重影响了大堤的安全性。通过现场检查和分析,并结合监测资料,指出盾构机穿过大堤隧道完成支护后,大堤的沉降已趋于稳定。为安全度汛,特提出应急处理加固方案,并应用三维有限元法建立该段大堤的稳定渗流有限元模型,计算分析了各工况下大堤的渗流场,分析评价了加固后大堤的渗流性态。根据计算分析和复核,应急处理加固后,该段大堤的渗流性态满足要求。     

库水位骤降条件下均质土石坝渗流稳定分析

本文基于Van Genuchten非饱和渗流模型综合分析了土石坝饱和一非饱和渗流,以工程实际为例,研究了水位骤降工况下土石坝渗流稳定问题.结果表明:库水位骤降工况下,上游水位的变化对坝体渗流量的影响较大;库水位急剧降落易使浸润线形成逆向渗流形态,并造成土石坝坝坡稳定性的降低,但是当孔隙水压力消散时间足够长时,上游坝坡稳定性有一定程度的提高.     

深覆盖层上面板堆石坝渗流与防渗墙变形特性研究

斜卡面板堆石坝最大坝高110 m,坝基覆盖层深厚（45～108 m）,基岩结构松散,渗透性较强。采用有限元法,对斜卡面板堆石坝及坝基进行了三维渗流及应力应变计算分析,讨论了帷幕厚度、深度与渗透系数对坝基渗流场的影响,分析了防渗墙在施工蓄水过程中的变形趋势以及趾板的沉降规律。结果表明,帷幕是防渗的薄弱环节,帷幕渗透系数增大与深度减小会使总流量显著增加;增大帷幕厚度可较大程度减小渗流量。防渗墙竣工期向上游变位,蓄水期受水推力作用向下游变形。防渗墙与连接板接合部位发生错动,但量值不大。     

万安水电站土石坝坝体渗流特性分析

渗流特性是反映土石坝运行性态的重要内容。依据万安水电站土石坝坝体测压管渗压水位监测资料,从渗压水位变化过程、渗压水位与上游水位相关性、坝体浸润线和心墙渗透坡降等方面,对大坝渗流特性与渗流状态进行了分析与评价。研究表明,万安水电站土石坝坝体渗压水位变化规律和坝体浸润线状态合理,心墙防渗效果较好,坝体渗流特性正常。     

堤防渗流风险的定量评估方法

从渗流风险的不确定性分析出发，分别考察了影响渗流风险的主要随机因素出逸比降和临界比降，着重分析了在一定水位差条件下的边界、地质等土力因子随机特性。在此基础上，建立了定量预测堤防渗流风险率的实用模型，给出了水位高程与渗流风险之间的关系。提出了通过实际的渗流险情原观资料对模型进行反馈率定的方法，讨论了非稳定渗流条件对模型精度的影响及改进方法。本文提出的模型可预测未曾发生过的高洪水位工况下的堤防渗流风险率。     

Fuzzy stochastic generalized reliability studies on embankment systems based on first-order approximation theorem

In order to address the complex uncertainties caused by interfacing between the fuzziness and randomness of the safety problem for embankment engineering projects, and to evaluate the safety of embankment engineering projects more scientifically and reasonably, this study presents the fuzzy logic modeling of the stochastic finite element method （SFEM） based on the harmonious finite element （HFE） technique using a first-order approximation theorem. Fuzzy mathematical models of safety repertories were introduced into the SFEM to analyze the stability of embankments and foundations in order to describe the fuzzy failure procedure for the random safety performance function. The fuzzy models were developed with membership functions with half depressed gamma distribution, half depressed normal distribution, and half depressed echelon distribution. The fuzzy stochastic mathematical algorithm was used to comprehensively study the local failure mechanism of the main embankment section near Jingnan in the Yangtze River in terms of numerical analysis for the probability integration of reliability on the random field affected by three fuzzy factors. The result shows that the middle region of the embankment is the principal zone of concentrated failure due to local fractures. There is also some local shear failure on the embankment crust. This study provides a referential method for solving complex multi-uncertainty problems in engineering safety analysis.     

长江江堤渗流特点及渗流控制设计

长江中下游堤防总长约3万km,是长江防洪工程体系的基础。其中主要堤防长达8000余km,是国家堤防建设重点。长江堤防多系人力填筑,坝身及堤基缺乏可靠的渗流控制措施是历年汛期产生险情的主要原因。在堤防加固工程中,掌握堤身工作及地基渗流特点,采用合理渗流控制措施,是确保堤防安全渡汛的重要前提。     

广义Bayes法在裂隙岩体渗透系数随机反演中的应用

工程中由于存在各种随机因素,采用确定性的渗流分析方法进行渗透系数的反演必然会导致结果的不确定性.本文基于渗流场的随机有限元分析方法,结合变尺度优化算法和广义Bayes法,建立了一种渗透系数的随机反演方法,推导了详细的计算公式.该方法不仅考虑量测水头、渗透系数的随机性,还考虑了边界水头的随机性,不仅可以获得渗透系数的均值反演结果,还可以得到标准差的反演结果.最后将该法应用于重力坝坝基渗流算例分析中,以渗流有限元正分析计算结果作为"假想"的实测点水头值,通过随机反演,同时获得渗透系数均值与标准差的反演结果,将输入信息与反演结果对比分析,验证了渗透系数和标准差反演结果的正确性.     

考虑地层渗透性各向异性的堤防工程三维防渗结构优化分析

在透水地基上修建长堤防工程,堤基防渗结构的渗控效应直接影响堤防的安全运行。根据岷江干流虎渡溪工程库区长堤防工程地质条件,采用三维渗流分析方法,对堤基高喷防渗墙的布置结构进行优化分析。结果表明：高喷防渗墙可有效降低堤后地下水水位,减小库水向堤后低洼保护区域渗漏,但其渗控效应受防渗结构空间展布长度、深度与渗透性以及地层材料渗透性各向异性的影响。满足低洼保护区域不溢出要求的防渗墙最小展布长度随其布置深度的增大和施工质量的提高而减小,防渗墙渗透系数小于1×10^-5 cm/s并将透水性强的覆盖层截断时,其渗控效应明显,若进一步提升防渗墙质量和布置深度则效果不显著。防渗墙质量的提高对堤防渗控效应的提升受地层材料渗透性各向异性的影响较小,而布置深度增大在渗透性各向异性比较大时对渗控效应与防渗结构优化设计的影响较大。随着地层材料渗透性各向异性比的增大,防渗墙所需最小空间展布长度逐渐增大,由各向同性时的180 m增大到220 m,且当渗透性各向异性比较大时,可能有必要增加防渗墙布置深度。     

不透水边界条件下双层堤基上盖重的渗流计算方法

盖重是堤防工程中最常用也是非常有效的管涌除险措施,对背水侧堤基透水层端部为已知水头边界的情况,已有许多研究成果给出了盖重渗流计算的方法。但是,实际工程中也会碰到背水侧堤基透水层端部为不透水边界的情况,对这种情况下的盖重渗流计算方法尚未见到有研究成果发表。为此,本文针对不透水边界条件下的有限远和无限远双层堤基,推导了弱透水和透水盖重的渗流计算公式,盖重的渗透性可以是任意的,盖重首末端可以取不同的安全系数,同时对影响盖重宽度和厚度的参数进行了讨论,对安全系数的取值以及盖重材料的选用提出了建议。