自由渗流面及渗流量推求的数值计算方法探讨

自由渗流面具有复杂的非线性,较难确定。本文采用开源地下水数值模拟程序MODFLOW及SUTRA,分别运用MODFLOW模型中干湿单元转化技术、SUTRA模型中单元渗透矩阵调整法以及本文建立的缓变渗透系数矩阵法推求自由渗流面。对比其求解结果表明,采用MODFLOW运用干湿转化技术求解自由渗透面的方法稳定性最好、精度最高,而采用缓变渗透系数矩阵法的SUTRA程序,改善了传统单元渗透矩阵调整法的不稳定性,提高了数值计算精度,避免了MODFLOW必须矩形网格的局限性,是一种实用的计算自由渗流面及估算地下水与河流水量交换量的方法。

基于改进Level-Set方法的非稳定渗流自由面数值模拟

含自由面非稳定渗流问题广泛存在于水利工程及岩土工程中,渗流自由面通常随时间动态变化,属于动边界问题,是非稳定渗流研究的重点和难点。本文在有限元框架内提出基于改进守恒Level-Set方法的非稳定渗流自由面数值模拟方法。采用改进守恒LevelSet方法在固定网格上隐式地捕捉非稳定渗流自由面,巧妙避开了其他固定网格方法在处理自由面时的困难,计算方便,且具有良好的质量守恒性和准确性。首先给出了多孔介质非稳定渗流问题的控制方程及其数值离散,之后给出了渗流自由面追踪的方法及物理特性参数的插值方法,最后通过均质土坝、非均质矩形坝、河床下渗问题等经典算例,验证了本文方法的准确性和有效性。

基于VOF法的碾压混凝土坝自由渗流场数值模拟

碾压混凝土坝渗流属于有浸润面的自由渗流,如何准确地确定浸润面位置是自由渗流场分析的关键及难点。同时,目前大坝渗流研究中多对地质条件、坝体细节以及排水孔进行较大程度的简化处理。针对上述问题,本文建立了包含不同地层、不良地质体、帷幕、排水孔以及坝体的碾压混凝土坝三维统一模型,采用耦合VOF法的三维非稳态水气两相流渗流模型,实现了对碾压混凝土坝复杂自由渗流场的数值模拟。运用该模型模拟某水电站碾压混凝土坝段正常蓄水位下的渗流场,结果表明:防渗帷幕和排水孔能够有效地改善渗流场分布,渗流控制作用明显;上游帷幕处的水力梯度最大值达到32.64,可能会对帷幕造成破坏,应引起足够重视。最后将现场监测点水头和排水孔出水量的模拟值与现场实测值进行对比,平均误差分别为1.57%和8.70%,模拟值与现场实测值基本吻合,验证了该模型的可靠性。

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。

有自由面渗流分析的流形单元法

提出了用于渗流分析的流形单元法。该方法用物理覆盖来确定材料的分区与自由面,通过迭代求出自由面边界,计算区域逐步逼近实际渗流区域,适用于稳定和非稳定渗流计算。算例表明,该方法用于有自由面的渗流分析是简单有效的。

求解有自由面渗流问题的初流量法的改进

本文指出了导致初流量法解不稳定的主要原因，提出了区域识别函数的新概念，对不连续的区域识别函数进行了线性微调，使之连续化，提出了“改进初流量法”．无论理论还是算例皆表明，“改进初流量法”既保持了只需一次形成和分解总体传导矩阵的优点，又解决了初流量法解不稳定的问题，使之具有较好的收敛性．

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。

有自由面渗流分析的改进节点虚流量全域迭代法

对节点虚流量法进行了改进,严格扣除过渡区中虚流量贡献,使虚流流量的处理在理论上更严密,关键的溢出点位置计算更精细.提出在全部渗流区域的迭代算法,避免了以往算法在迭代过程抛弃虚单元、计算域网格发生变化的做法,从而使算法编程更简单,使用范围更广.算例验证了该算法的正确性和实用性.

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。

Trefftz间接法解自由面渗流问题

渗流问题是岩体水力学研究的重点之一,较常规的有限元法和传统的边界元法而言,Trefftz型边界元法具有程序简单、计算量小及无须奇异积分等特点。本文给出定常和非定常自由面渗流问题的Trefftz解法,计算结果表明,该法收敛性好,结果比较精确。

求解渗流自由面的复合单元全域迭代法

渗流自由面是岩体水力学研究的重点和难点,也是边坡稳定性综合研究的重要内容· 基于对渗流自由面数值求解方法的分析,提出了复合单元全域迭代法,并编制了有限元计算程序· 计算果表明,该法具有程序处理比较简单、计算结果比较精确等特性。

考虑坑外渗流自由面变化的基坑工程性状分析

通过对基坑工程进行考虑孔压消散与变形耦合效应的有限元分析,得到了坑外渗流自由面随时间的变化规律,并研究了坑外渗流自由面变化对基坑内外超静孔压、土水势以及基坑变形的影响.研究表明,考虑坑外渗流自由面变化时,坑内外的超静孔压和土水势都减小;坑外渗流自由面的变化使得坑外水压力减小,有效应力增加,并引起坑内外的水头差降低,因而使得支护墙的水平位移和坑底的隆起变形减小,坑后的地表沉降增加.

有自由面渗流分析的丢单元法的改进及其在地下工程中的应用

在现有的有自由面渗流分析的丢单元法的基础上进行了改进。对含自由面单元,按复合材料单元进行处理。对丢单元,引入空单元的概念进行处理。算例表明,改进后的丢单元法具有收敛性好,编程简单,计算精度更高的特点。最后用此法成功求解了漫湾水电站二期工程地下厂房围岩的复杂渗流场,并在此基础上分析了渗流场分布的主要影响因素的影响,进行了现拟渗控设计方案分析。

基于虚单元法求解渗流自由面的曲线拟合法

渗流在坝坡稳定及坝坡变形中起关键作用,渗流自由面的确定是渗流计算的主要内容之一。目前,求解渗流自由面经常采用虚单元法,但是该法需不断调整通过自由面的单元,迭代效率慢且易造成单元畸形。对有限元法求解的自由面节点水头做曲线拟合,无需调整单元,即可得到高精度的渗流自由面曲线。应用所提方法求解工程实例,计算结果表明该方法精度高、稳定性好、计算效率高,计算结果与实际自由面形状更吻合。

三峡水库岸坡渗流自由面求解方法及应用

根据三峡岸坡地形地貌特点、地质结构分布规律,利用物质守恒原理、变量分离数学解析手段,建立了计算结果稳定、模型实验验证可靠的渗流自由面计算方法,使得渗流自由面计算工作变得更加简单,计算结果更加合理可靠,并已将该渗流自由面计算方法用在了库区新建或复建港口岸坡的稳定性设计计算中。

采用边界元法确定渗流自由面的一种改进方法

渗流自由面的确定是无压渗流分析中非常重要的问题。相对有限无法而言，采用边界元法确定渗流自由面具有明显的优势。本文基于传统的确定渗流自由面的迭代边界元法，提出了改进的采用边界元法确定充自由面的失窃 工方法，并运用算例说明了改进方法的精度和有效性。

岩土体渗流自由面问题的重心插值无网格方法

岩土体的渗透破坏、地下工程的防渗设计等无不与渗流计算有关。针对渗流自由面问题,提出一种重心拉格朗日插值的配点型无网格方法。由于渗流自由面问题的求解区域是不规则区域,该方法通过将不规则求解区域嵌入一个正则矩形区域,在正则区域上采用重心拉格朗日插值近似未知函数,利用配点法离散渗流问题的控制方程,将重心拉格朗日插值的微分矩阵离散成代数方程表达的矩阵形式。将自由面上的边界条件通过重心拉格朗日插值离散,通过置换方程法和附加方程法施加边界条件,利用正则区域上的重心插值配点法,通过迭代确定最终自由面的位置。数值算例表明所提出的无网格方法对于求解渗流自由面问题的正确性和高精度。

越过截渗墙渗流自由面的求解

对于越过截渗墙的剖面二维含自由面的渗流，应用保角变换方法求解，通过引入速度矢端平面和应用Ｓｃｈｗａｒｚ－Ｃｈｒｉｓｔｏｆｆｅｌ变换，推导出了物理平面Ｚ（ｘ，ｙ）和复势平面 （ ， ）的映射关系式。主要的待求参数和积分常量有４个，提出了相应的联立求解关系式。算例表明所提出的求解方法是可行的。

渗流自由面求解的基本方法、修正及应用

基于对渗流自由面求解的残余流量法、初流量法、节点虚流量法和虚单元法的详细分析，提出了复合单元全域迭代法，并据此研究了三峡工程永久船闸边坡的渗流自由面，其在边坡面的出溢点及地下水位与现场情况吻合．

渗流自由面求解方法综述

渗流自由面的确定是渗流计算的主要内容之一,本文对目前国内外在求解渗流自由面的方法进行了综合论述,对解析方法、数值方法、渗流模型法、无单元法进行了分析比较,针对目前应用广泛的数值方法,尤其是有限单元法,笔者在文中进行了重点阐述.