ADINA软件在土石坝渗流场计算中的应用

第 22 卷　第 1 期 2006 年 3 月 西 北 水 力 发 电 JOURNAL OF NORTHW EST HYD ROEL ECTR IC POW ER V o l. 22　N o. 1 M ar. 2006 文章编号: 167124768 (2006) 0120039204 AD INA 软件在土石坝渗流场计算中的应用 熊　政, 何蕴龙, 韩　健 (武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室, 湖北 武汉 430072) 摘　要: 根据基本方程及定解条件的比较分析, 将AD INA 软件的温度场模块分析功能应用 于渗流场的分析, 并采用死活单元技术, 通过迭代算法计算自由水面位置 (浸润线) , 解决了实 际工程观音岩心墙土石坝渗流稳定问题的求解。该方法可以解决复杂边界、多种介质的渗流问 题, 为实际工程设计应用提供强有力的途径。 关键词: 土石坝; 有限元; AD INA 软件; 温度场; 渗流场; 死活单元; 浸润线 中图分类号: TV 641 文献标识码: B 1　前言 渗流是土石坝的一个重要研究课题。土石坝 的渗流属于地下水流的性质, 其流动性态及对土 石坝的破坏现象和过程, 不易从 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面发现, 而在发 现问题以后往往又难以补救。根据土石坝破坏的 一些调查统计资料看, 由渗流引起的破坏占相当 高的比例。由此可见, 渗流会对土坝稳定产生严重 的危害。实际工程中, 渗流边界条件非常复杂, 介 质也不单一, 采用通常水力学近似解法难以得到 满意结果。随着有限元技术的成熟, 有限元法成为 渗流分析的主要数值方法, 对渗流场已经可以达 到比较精确的模拟了。AD INA 软件是美国 AD INA R &D 公司的产品, 是基于有限元技术的 大型通用分析仿真平台, 其广泛应用到各个行业 领域, 具有强大的前、后处理功能和求解器。在 AD INA 软件的温度场计算模块中, 定义有渗流 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 , 具有专门的渗流场模拟计算功能, 能得出令 人满意的结果。 2　计算原理 AD INA 理论 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 给出温度场的控制分析方 程为:55x k x 5Η5x + 55y k y 5Η5y + 55z k z 5Η5z + qB = 0 (1) 边界条件满足: ΗûS 1 = Η (2) k n 5Η5n ûS 2 = qS (3) 式中　 Η—— 温度; 　k x、k y、k z —— 为介质三向热传导率; 　qB —— 域内热源密度 (即单位体积热生成 率) ; 　S 1、S 2——两类已知边界条件 (已知边界温 度和已知边界热源密度) ; 　qS —— 边界热源密度。 若以渗透总水头 H 代替式中的 Η, 三向渗透 系数 K x、K y、K z 代替 k x、k y、k z , q0 代替 qS , 同时 qB 取为零, 则上式变成:55x K x 5H5x + 55y K y 5H5y + 55z K z 5H5z = 0 (4) 收稿日期: 2005210224 作者简介: 熊政 (19802 ) , 男, 湖北广水人, 武汉大学在读硕士生。 边界条件满足: H û # 1 = H (5) K n 5H5n û # 2 = q0 (6) 这是我们熟知的渗流基本微分方程和两类渗流边 界条件 (已知水头边界和已知流量边界)。 比较式 (1)、(2)、(3) 和式 (4)、(5)、(6) 可见, 土体渗流问题是温度场问题的一种特殊形式。只 需将温度场介质换成土体介质、热传导率换成土 体渗透系数、温度换成渗流总水头, 同时取域内热 源密度为零, 边界条件相应地变为已知水头分布 和渗透流速分布, 就可以用AD INA 软件进行渗 流场的计算了。 3　应用分析方法 土石坝渗流问题实际上是存在自由面的无压 渗流问题。自由面的位置需要反复的迭代来确定, 故属于边界非线性问题。采用有限单元法求解无 压渗流场时, 通常有变网格法和固定网格法两种。 变网格法是将自由面作为可变动边界, 在每一步 迭代计算中需重新形成渗透矩阵, 特别是当初始 渗流自由面和最终稳定渗流自由面位置相差较大 时, 会使计算单元发生畸变, 因而需对计算区域重 新进行单元剖分; 在实际应用上, 变网格法难以处 理渗透介质水平分层复杂的情形, 尤其是在渗流 场与应力场耦合分析中, 更显变网格法的局限性。 因此, 在无压渗流场分析中, 都倾向于采用固定网 格法。网格固定法顾名思义是将网格固定, 只是在 自由面的位置对网格进行调整, 然后按给定边界 条件进行渗流计算, 根据计算结果调整自由面的 位置, 反复试算调整直到两次计算自由面差值小 于给定误差限。本文采用AD INA 提供的生死单 元技术, 首先假定自由面位置, 直接将处于自由面 上部的单元网格“杀死”, 只“激活”处于自由面以 下的单元网格, 然后施加相应边界条件进行分析; 并根据计算结果调整单元的死活, 相应修正边界 条件后重新计算直到达到计算精度。要想得出计 算精度高且光滑的自由面, 网格划分必须足够密。 4　应用算例 按照以上的思路和方法, 运用AD INA 软件 中的温度场, 对如图 1 所示的均质矩形土坝稳定 渗流问题进行计算, 上游水头为 6 m , 下游水头为 1 m , 坝体宽度为 4 m。单元采用平面 22D conduc2 t ion 四节点单元形式划分, 如图 2。 计算后的渗流场如图 3、图 4。图中均清晰地 显示出了求出的渗流自由面位置。表 1 中列举了 渗流自由面上典型点位置和通过甘油模型试验得 出的渗流自由面典型位置两者间的比较。从表中 看, 两者的计算结果基本一致, 最大误差只有 1. 6% , 说明了该方法的准确和可靠性。 图 1　矩形坝断面图 (单位: m ) 图 2　网格剖分图 图 3　矩形坝渗流自由面 (单位: m ) 04 西 北 水 力 发 电 第 22 卷 图 4　矩形坝渗透流速分布图 表 1　典型点位置水头对比单位: m 典型点 试验值 计算值 误差 (% ) A 5. 63 5. 637 0. 12 B 5. 10 5. 092 0. 15 C 4. 38 4. 386 0. 14 D 3. 25 3. 302 1. 60 5　计算实例 采用上述计算方法, 运用相关参数, 针对金沙 江观音岩水库混合坝侧墙式 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 中土石心墙坝部 分的结构断面进行了渗流场计算和分析。 5. 1　工程概况 观音岩水电站位于云南省丽江地区华坪县与 四川省攀枝花市的界河塘坝河口附近, 为金沙江 中游河段 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 的八个梯级电站的最末一个梯级, 上游与鲁地拉水电站相衔接。心墙堆石坝: 坝顶高 程 1 141 m , 最大坝高 91 m , 坝轴线方位角为 SE105°。上下游均按 1∶1. 7 放坡。心墙堆石坝心 墙顶宽为 6 m , 包括两层反滤层, 厚度均为 3 m , 帷幕平均厚度为 3 m (见图 5)。 图 5　大坝横剖面分区图 (单位: m ) 5. 2　计算参数和条件 根据地质勘测的资料, 大坝各部分参数为: 心 墙的渗透系数为 5. 38×10- 7cm ös, 反滤料É 的渗 透系数为 3. 37×10- 3cm ös, 反滤料Ê 的渗透系数 为 9. 07×10- 1cm ös, 坝壳料的渗透系数为 3. 62× 10- 2cm ös, 地基取两层, 范围取到 3 L u 线不透水 层位置, 折算其渗透系数为 1×10- 4cm ös, 上层弱 风化层渗透系数为 1×10- 3cm ös, 灌浆帷幕的渗 透系数为 2×10- 5cm ös。 5. 3　大坝有限元计算 本文计算校核洪水位下心墙坝的渗流场情 况, 上游水位 1 137. 64 m , 下游无水情况。水位高 及所计算水头值以地基 (高程为 1 100. 00 m ) 为 基准。大坝有限元如图 6。 计算结果如图 7～ 9 所示, 分别给出了浸润 线、等势线图和渗透流速分布, 采用AD INA 提供 的彩色云图及矢量方式表示, 可以更加直观地观 察渗流场情况, 也可以通过列表给出确切计算结 果, 为即将开工的观音岩混合坝工程设计提供了 强有力的依据。例如浸润线位置可以用于土坝结 构计算, 渗流速度分布用于土坝防渗设计, 也可以 图 6　大坝有限元网格图 图 7　大坝横断面等势线图 (单位: m ) 14第 1 期 熊　政, 等　AD INA 软件在土石坝渗流场计算中的应用 计算出土坝渗流流量。 从图 7～ 9 中可以看出, 用AD INA 温度场模 块计算出来渗流场的浸润线、等势线、流速分布总 体上是符合一般心墙堆石坝渗流场规律的, 可以 通过具体的列表数值, 如坡降、水头、流速等, 用于 为工程设计服务是可以令人满意的。 图 8　大坝横断面渗透流速分布图 (单位: m ös) 图 9　大坝横断面渗透压力等值线图 (单位: Pa) 6　结语 上述计算实例表明, 采用AD INA 温度场中 的渗流计算分析模块功能进行土坝渗流计算是可 行有效的, 死活单元技术能够解决浸润线位置计 算问题, 通过浸润线的确定可以用于计算分析堆 石坝的防渗设计和稳定安全情况, 从而为工程应 用提供了有效的解决方案。利用AD INA 强大的 前后处理功能能够为工程应用提供极大的便利, 能够在解决复杂边界、多种介质的复杂渗流问题 中取得令人满意的效果。本工程实例计算部分就 为云南金沙江观音岩水电工程项目提供了可靠的 依据。 参考文献: [ 1 ]　AD INA T heo ry and M odeling Gu ide V o lum e Ê : AD INA 2T [K ]. 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Appl ica t ion of AD INA in the Earth Dam Seepage Flow Stab il ity Com puta tion X ION G Zheng, H E Yun2long, HAN J ian (Sta te Key labo ra to ry of W ater R esou rces and H ydropow er Engineering Science,W uhan U n iversity, W uhan 430072, Ch ina) Abstract: A cco rd ing to com parison of the fundam en ta l equat ion s and boundary condit ion s, the AD INA funct ion of tem pera tu re field ana lysis is app lied to the of seepage flow field, the elem en t b irth o r dea th techn ique w ith overlap m ethod is adop ted to ca lcu la te the free w ater su rface site ( sa tu ra t ion line) , in o rder to so lve the p rob lem of Guan Y in Yan Earth dam seepage flow stab ility. T h is m ethod can so lve the seepage flow p rob lem of com p lex boundaries and m edium s. Key words: ea rth dam ; fin ite elem en t; AD INA softw are; tem pera tu re field; seepage flow field; ele2 m en t b irth o r dea th; sa tu ra t ion line 24 西 北 水 力 发 电 第 22 卷