不变网格确定渗流自由面的节点虚流量法

1 前言用有限元法求解堤坝渗流场时,遇到不易解决的问题是如何在程序中处理并确定事先不知其确切位置的渗流自由面(free surface of seepage)和渗出面(seepage surface).如何用简单可靠的新算法来求解含渗流自由面及渗出面渗流问题的课题历来是国内外渗流工作者极感兴趣的研究内容.传统的有限元法求解方法是变网格法。

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.

节点虚流量法的某抽水蓄能电站地下厂房渗流场分析

利用求解有自由面渗流场的节点虚流量法,对某抽水蓄能电站施工期地下厂房渗流场分布进行三维有限元仿真模拟,着重研究施工期厂房区洞室的渗流特性,并对施工期厂房区渗控方案进行评价.研究表明,施工期间排水设施尚未形成时,各已经开挖的洞室成为排水的主要边界;在保证各洞室的渗透水能及时排出的提前下,渗流场可以满足施工环境要求;顶排型排水幕排水效果并不明显.

结点虚流量法理论基础阐释及改进算法

含自由面的无压渗流问题本质上是一类非线性自由边值问题,固定网格的结点虚流量法在全域范围内不断扣除虚域流量贡献,从而使该问题得到求解。它具有网格依赖性小、出逸点收敛快等优点,但其内在理论基础尚未被完全揭示。通过引入互补型约束条件建立了结点虚流量法和Signorini型变分不等式提法的等价性桥梁,在此基础上引入过渡区放大系数(35)h对自由面判别准则进行优化,并以砂槽模型试验为例进行验证。对比结果表明,优化后算法数值稳定性更好,计算结果与试验数据吻合度更高。研究成果为超大规模网格的渗控结构优化设计提供了有效分析手段。

基于改进节点虚流量法的渠道工程施工期渗流场分析

利用求解有自由面渗流的改进节点虚流量法,对大型渠道工程施工期渗流场进行三维有限元模拟,得到不同条件下渠道渗流场的水头分布、浸润线、抽水量以及水力坡降。对施工期不同的降排水方案进行分析和评价,并在控制降水井水位的情况下对各方案进行分析,给出各方案下降水井抽水水位与渠底地下水位和单井抽水量的关系。结果表明,改进节点虚流量法能较好地模拟渠道渗流,可较为准确地判定方案是否满足工程实际要求,为实际工程提供理论和技术支撑。

用虚流量理论进行泵站位置与扬程优化计算

现行的输配水系统优化设计方法只能用于单泵站系统的优化计算，且泵站位置必须事先确定，本文从数学模型入手进行了改进，提出了将泵站设于管段上的方案，使得泵站位置与扬程可以同时被优化．文章通过解多泵站输配水系统优化设计数学模型，提出了改进后的虚流量理论，同时给出了实例．

中、小型土石坝渗流场三维有限元分析方法及应用

针对中、小土石坝工程的特点以及存在渗流安全的问题,采用改进的节点虚流量法,得到求解土石坝渗流问题的有限元分析方法,并编制Fortran程序.依托某土石坝工程,建立三维有限元渗流场计算模型,对正常蓄水时该坝坝体和坝基的渗流场进行了仿真计算,得到了相应的水头分布、浸润线以及渗漏量,并对该坝设计防渗体系下坝区渗流场规律和特点进行了分析.结果表明,该方法对中、低土石坝渗流溢出点和浸润线定位合理、准确,能够很好地模拟坝区渗流场规律,可为中、低土石坝的渗流安全评价提供参考.

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。

面板堆石坝垂直缝破坏下三维渗流场有限元模拟

采用改进节点虚流量法求解无压稳定渗流场,并引入无厚度的裂缝模型对破坏的垂直缝渗流行为进行模拟,得到面板堆石坝裂缝渗流问题的有限元分析方法,并编制Fortran程序。以某混凝土面板堆石坝为例,计算了面板单一垂直缝破坏和多条垂直缝破坏条件下的三维渗流场,得到不同条件下渗流场的水头分布、浸润线以及渗漏量,系统分析了面板堆石坝在垂直缝破坏条件下的稳定渗流场规律和特点。结果表明,该方法能对渗流逸出点和浸润线进行准确定位,还能很好地模拟面板垂直缝破坏对坝区渗流场的影响,可以为面板堆石坝的接缝设计提供参考。

乌江构皮滩双曲拱坝整体稳定性分析

采用固定网格的结点虚流量法进行构皮滩拱坝坝基三维渗流场分析,建立了拱坝及坝基的整体三维非线性有限元计算模型,研究了坝体、坝基的变形应力分布规律以及屈服区、开裂区影响范围,并进行了坝体、坝基的整体稳定性分析,对构皮滩拱坝的初步设计方案作出了科学、合理的评价。

有限分析法在排土场渗流分析中的应用

针对矿山排土场的具体水文地质条件 ,以有限分析法结合不变网格节点虚流量法进行排土场渗流的数值分析 ,结果表明有限分析法计算精度高 ,结果合理 ,对排土场稳定性分析结果更偏于安全。

姑山铁矿复杂边坡含水层渗流数值计算

姑山铁矿为大水矿床 ,进行边坡稳定性分析首先要进行边坡渗流场计算。根据姑山采场的具体水文地质条件 ,应用 2维和 3维有限元结合不变网格节点虚流量法 ,并对边坡复杂含水层进行适当的简化 ,进行边坡渗流场数值计算 ,结果满足工程研究需要 。

高面板堆石坝施工期防洪度汛的渗流问题

高面板堆石坝工程时常面临施工期挡水度汛的情形,针对度汛期渗控体系不完善的渗流问题,依托某高面 板堆石坝工程,考虑坝体填筑、防渗体系以及基岩分布等因素,建立三维有限元计算模型,并采用改进结点虚流 量法进行渗流场仿真计算,得到不同度汛方案下坝体渗流场的水头分布、浸润线和渗透坡降,系统分析了施工期 挡水度汛情形的渗流场规律和特点.结果表明,若坝体防渗体系不完整,施工期坝体会引起显著的渗流问题, 易产生第二渗控线发生渗透破坏的危害,应确保坝体挡水时渗控体系的有效性,并严格控制第二渗控线的施工质量.

碾压混凝土坝防渗与排水渗控设计方法

本文采用渗流场求解的结点虚流量法、缝面无厚度平面单元、排水子结构和排水孔开关器等方法,依托10多年来对龙滩高碾压混凝土重力坝渗流特性和渗控优选方案的研究,对碾压混凝土大坝的坝上下游面防渗体和坝内排水孔幕的防渗与排水设施的渗控机理及效果进行了系统深入的分析研究。其中包括对上下游面防渗体的作用、本体的弱渗透性、层面和缝面的强透水性、上游面防渗体竖直劈头缝和水平裂缝的影响、坝段横缝止水失效的影响以及排水孔孔径和孔距的影响等问题的研究。

高面板堆石坝施工期防洪度汛的渗流问题研究

高面板堆石坝工程时常面临施工期挡水度汛的情形, 针对度汛期渗控体系不完善的渗流问题, 依托某高面板堆石坝工程, 考虑坝体填筑、防渗体系以及基岩分布等因素, 建立三维有限元计算模型, 并采用改进结点虚流量法进行渗流场仿真计算, 得到不同度汛方案下坝体渗流场的水头分布、浸润线和渗透坡降, 系统分析了施工期挡水度汛情形的渗流场规律和特点.结果表明, 若坝体防渗体系不完整, 施工期坝体会引起显著的渗流问题,易产生第二渗控线发生渗透破坏的危害, 应确保坝体挡水时渗控体系的有效性, 并严格控制第二渗控线的施工质量.

百色水利枢纽地下厂房整体渗流场分析及渗控方案评价

百色地下厂房洞室群渗控采用"厂外堵排为主、厂内排水为辅"为原则的独立防渗排水系统。该渗控方案坝基下灌浆帷幕与厂区灌浆帷幕之间是不连续的,留有很大的天窗,是否可行需进行分析评价。在该课题渗流场的有限单元法求解中,采用了固定网格求解有自由面渗流问题的结点虚流量法和排水孔排水子结构技术,在算法上较精确地确定和模拟所有地下洞室周壁面和计算域地表面中的可能渗流逸出面的真实大小和渗流状态,并由于采用仿真排水孔的孔径、孔距和孔深等几何参数,因此能较真实地反映出排水孔的三维渗流特性。该工程的渗控设施现已经历了两年运行考验,观测数据与计算分析成果基本一致。说明该渗流数值分析方法符合实际,设计所采用的渗控方案可行,值得在同类工程中推广应用。

句容抽水蓄能电站渗控效果数值模拟与评价

句容抽水蓄能电站地质条件复杂,为分析现拟的渗控措施能否达到预期效果,本文建立了句容抽水蓄能电站三维整体渗流场有限元模型,采用排水孔二次剖分技术和改进的结点虚流量法相结合的方式,实现了对排水孔幕等复杂渗控措施的精细模拟,分析了设计工况下电站的整体渗流特性.结果表明,现拟的渗控措施对库区及地下厂房洞室群渗流场起到了较好的控制作用.

深冲积层上高面板堆石坝运行期渗流特性仿真研究

渗流控制是深冲积层上修建高面板堆石坝需要研究的关键技术问题,以某高面板堆石坝工程为对象,考虑坝体结构、渗控体系、深冲积层以及基岩分布等要素,建立三维有限元计算模型,然后采用改进节点虚流量法,进行正常运行期的坝区三维渗流特性仿真计算与分析。结果表明,混凝土面板、趾板、防渗墙及灌浆帷幕形成的空间封闭防渗体系能够有效控制坝区渗漏,保证坝体及坝基的渗透稳定,但尽管如此,深冲积层的坝基和地质条件复杂的两岸坝肩的渗流控制难度较大,对防渗墙和灌浆帷幕的要求较高,在大坝渗控设计和施工时予以重点关注。

洛甸河水文站水面流速系数分析

为进一步提高流量资料精度,根据洛甸河水文站2005～2008年实测水面虚流量和常测法流量资料,对洛甸河水文站水面流速系数进行分析,最终确定了实测水面流速系数分析成果,这对合理利用水资源具有重要意义。

昭通市河流水面流速系数分析

水面流速系数是河流流量测验中的一个关键系数，通常根据河流情况取用经验值，不尽合理，常致使上下游水量不平衡。为进一步提高流量测验精度，根据2003年至2008年昭通市区域内各水文站收集的实测水面虚流量和常测法流量资料，对各水文站水面流速系数进行了系统的分析，得到各站水面流速系数的分析成果。该成果将使昭通市的流量测验特别是高洪流量测验更准确，计算的水量更符合实际。