自由渗流面及渗流量推求的数值计算方法探讨
建兴水库大坝渗流计算方法及渗透指标-水利工程论文-水利论文

建兴水库大坝渗流计算方法及渗透指标-水利工程论文-水利论文——文章均为WORD文档,下载后可直接编辑使用亦可打印——1工程基本情况建兴水库位于四川省德阳市中江县富兴镇会棚乡,是一座拦蓄式水库,其工程任务是以灌溉为主,兼有防洪、养殖等综合功能的小(1)型水利工程。
中江县距震中汶川县映秀镇不到100km,水库坝址以上集雨面积18.1km2,总库容170万m3,设计灌面4000亩,设计洪水标准为30年一遇(P=3.3%),设计洪水位596.28m,校核洪水为500年一遇(P=0.20%),校核洪水位597.18m。
水库正常蓄水位594.20m,位583.00m。
大坝为均质土坝,坝顶高程为597.80m,坝顶宽4.4m,最大坝高18.4m,坝顶长91.00m,基础底高程为579.40m。
大坝上游坡比为1∶2.25;下游坡比为1∶2.0。
工程自1960年12月建成以来,对当地的生产生活起着重大作用,同时发挥了较大的经济效益。
据现场调查,该坝施工时为抢工期,上坝土料不均,碾压不均或不密实,加之无检测手段,导致填筑质量较差。
受汶川特大地震影响,坝脚及放空洞出现5处涌水点且有明显浑水流出。
2008年7月,据钻孔揭露:坝体填料为黄褐色粘土夹块碎石,粘土呈可塑硬塑状,碎石、角砾及砂约占15%~20%。
压水试验表明,渗透系数K变化较大,从1.3810-5cm/s~2.2310-4cm/s,说明坝体均匀性较差,渗透系数平均值为1.3010-4cm/s大于10-4cm/s,足规范要求。
工程于2009年进行加除险加固整治,其渗渗整治措施为:坝体充填灌浆,坝基帷幕灌浆。
灌浆沿坝轴线布孔,分三序钻灌,施工时严格质量控制,灌浆防渗体渗透系数要求小于10-4cm/s,达10-5cm/s左右。
经过多年运行,渗漏整治效果良好。
2大坝渗流计算方法及渗透指标2.1计算公式对于符合达西定律的二向均质、各向同性土体的渗流,当土体已完全固结时,其水头函数符合拉普拉斯方程式:【1】z:坐标位置高程q:自由面下降或上升时从自由边界流入或流出渗流场的单宽流量2.1.1计算断面。
渗流量计算公式

渗流量计算公式
渗流是土壤中的水沿渠或渗道的坡度流过的水,在地下水平面之下沿着渠道流动,渗流量表示渗水沿着坡度流动所需要消耗的水量。
渗流量计算公式是由卡行和厄斯特林公式构成的,即Q=AсH^n 。
在渗流流量计算式 Q 中包括:渗道表坡面积 A、渗水高程 H 流动路径 n 以及系数 c。
其中渗道表坡面积 A 是指渗流路径中水面与面积之比,它与渠底的宽度和水深以及渗道形状有关;渗水高程 H 表示渗水的高度,即渗水的位移;流动路径 n 即土壤中的水从某一点流动到另一点的矢量;系数 c 是由渠底宽度、渠底坡度、渠底材料、渗水温度和流速等多种因素共同影响的一个技术参数。
渗流量的计算是渗流影响评价中必不可少的一部分,它能够使渗流适宜地调节土壤水分和植物的生长,并使陆地环境的水文状况更稳定。
渗流量的计算实质上是一个复杂的计算过程,需要综合运用土壤物理学和水文学的基础知识,并根据垂直和水平的变化情况计算出比较准确的渗流量。
此外,渗流量计算中还需要考虑水分运移过程相关数据和影响力,保证计算结果准确可靠。
水坝自由表面渗流计算

水坝自由表面渗流计算工程背景说明:在很多工程应用涉及孔隙介质中的流体运动和热传输现象,如岩土、水坝的渗流;地下水扩散;石油采集、地热能扩散等等。
在渗流方面,实际工程中比较关心两个问题,一是渗流的自由面问题,另一个为动态渗流的模拟,这些问题都可以在ADINA中进行模拟。
ADINA提供两种求解渗流问题的方法,一种是利用多孔介质材料来分析渗流问题,采用平均流速、渗流率定义介质中的流体控制方程,得到渗流速度、流网分布,另一种方法是利用渗流方程与温度方程相同的原理,用温度场的求解方法(seepage材料),采用热传导单元来求解渗流问题得到渗流速度和浸润面的形状,本题采用第二种方法来求解自由表面渗流问题。
涉及要点:●非均布荷载函数的定义及施加方法;●温度边界条件的施加以及初始温度条件的设定;●2-D热传导单元的各参数的定义;●后处理中各种结果显示方式;●用温度场的方法求解渗流问题;问题说明:●坝体材料为各相同性,其参数见下图说明;●坝的几何尺寸见图中标注,具体单位制请参考ADINA其它文档;●边界条件中两侧为Drainage排水条件,底部(Impervious)靠左侧12.64长度单位为不排水边界,剩余段为排水条件;●模型可简化为2D平面模型进行分析;建模计算:一、建立分析模型:打开ADINA-AUI,选择ADINA Thermal模块。
1.建立几何模型点击图标,在弹出的窗口中输入四个坐标值。
由于模型采用2D的平面应变模型,所有点的X坐标为零(空白即为零)。
各点坐标如下图:点击,通过顶点依次建立两个面。
SURFACE VERTEX NAME=1 P1=3 P2=5 P3=6 P4=2 SURFACE VERTEX NAME=2 P1=5 P2=4 P3=1 P4=6 打开Surface标号显示当前几何模型如下图所示。
2.定义物理条件打开Line标号显示当前几何模型如下。
定义并施加边界条件( Apply Fixity):边界条件是Surface 2底边(L5)处施加温度约束即可。
高等土力学4.6_渗流的数值计算.

N 2 x
h3
N 3 x
h3
C21h1 C22h2
C23h3
iz
h z
C31h1Leabharlann C32h2C33h3
h
ix iz
x h
C21 C31
z
C22 C32
C23 C33
h1 h2 h3
vx vz
k 0
0
k
iixz
h t
N
h t
e
2. 单元渗流矩阵
I(h)
e1 m
Pije
K
h
P
h t
S
h t
F
0
Fij
e1
Fije
整体平衡方程
自由水面
可压缩部分
K
h
P
h t
S
h t
F
0
已知结点的部分
K
h
P
h t
S
h t
F
0
这样就可对式多元联立方程组用不同的数 学方法求解,得到各单元结点水头; 然后可用式(4.6.15)求单元域内任一点水 头值,从而得到有限元数值分析的解; 对于三维渗流计算方法是一样的;
a3z1 a3z2
h3 a1 a2 x3 a3z3
设:
CC1211
(x2 z3 (z2
x3z2 )/ z3 )/ 2 Ae
2 Ae
C12 (x3z1 x1z3 )/ C22 (z3 z1 )/ 2 Ae
2 Ae
C13 (x1z2 x2 z1 )/ 2 Ae C23 (z1 z2 )/ 2 Ae
1. 渗流场的离散与插值函数 图4-73 有限单元网格划分
假设单元的水头函数值在1、2、3结点上的值分别 为h1,h2,h3,在单元内部的值可用线性插值求得:
有自由面渗流分析的三维数值流形方法

第32卷第3期 岩 土 力 学 V ol.32 No.3 2011年3月 Rock and Soil Mechanics Mar. 2011收稿日期:2009-12-27基金项目:国家自然科学基金项目(No. 50839004,No.51079110 );教育部新世纪优秀人才支持计划项目(No. NCET -07-0632)。
第一作者简介:姜清辉,男,1972年生,博士,教授,主要从事岩土力学数值计算方法与岩土工程稳定分析方面的教学与研究工作。
E-mail :jqh1972@文章编号:1000-7598 (2011) 03-879-06有自由面渗流分析的三维数值流形方法姜清辉1, 2,邓书申2,周创兵2(1. 武汉大学 土木建筑工程学院武汉 430072;2. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072)摘 要:提出了求解有自由面渗流问题的三维数值流形方法,通过构造任意形状流形单元的水头函数,推导了流形单元的渗透矩阵和无压渗流分析的总体控制方程,并给出了自由面的迭代求解策略和渗透体积力的计算方法。
典型算例的数值分析表明,该方法采用数学网格覆盖整个材料区域,在自由面的迭代求解过程中数学网格保持不变,只考虑自由面以下渗流区的介质,只对自由面以下的流形单元形成总体渗透矩阵,具有精度高、收敛速度快、编程简单等优点,而且能够通过单纯形积分精确计算被自由面穿越单元的渗透作用力,因此,特别适用于有自由面渗流问题的模拟。
关 键 词:三维渗流;数值流形方法;自由面;数学网格;流形单元 中图分类号:O342 文献标识码:AThree-dimensional numerical manifold method for seepageproblems with free surfacesJIANG Qing-hui 1,2 , DENG Shu-shen 2 , ZHOU Chuang-bing 2(1.School of Civil and Architectural Engineering, Wuhan University, Wuhan, 430072, China;2.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan, 430072, China)Abstract: A three-dimensional numerical manifold method for seepage problems with free surfaces is proposed. The hydraulic potential functions for arbitrarily shaped manifold element are constructed and the element conductivity matrix is derived in detail. The global governing equations for unconfined seepage analysis are established by minimizing the flow dissipation energy. The proposed method employs the tetrahedral mathematical meshes to cover the whole material volume. In the process of iterative solving for locating the free surface, the numerical manifold method can strictly realize the seepage analysis of the saturated domain on the condition of mathematical meshes keeping unchanged. Furthermore, the seepage force acting on the transitional elements cut by the free surface can be accurately calculated by the manifold method. Therefore, the proposed method is featured in high accuracy, fast convergence rate and simple programming, especially applicable to simulate the unconfined seepage problem with free surface. Key words: three-dimensional seepage; numerical manifold method; free surface; mathematical mesh; manifold element1 引 言在采用传统的有限元方法求解无压渗流问题时,主要存在两类解法:调整网格法和固定网格法。
自由渗流面及渗流量推求的数值计算方法探讨

自由渗流面及渗流量推求的数值计算方法探讨秦甜甜;丁国辉;程勤波【摘要】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.【期刊名称】《地下水》【年(卷),期】2018(040)004【总页数】3页(P12-14)【关键词】MODFLOW;SUTRA;单元渗透矩阵调整法;缓变渗透系数矩阵法;自由渗流面【作者】秦甜甜;丁国辉;程勤波【作者单位】江苏省地质调查研究院,江苏南京 210018;南京市测绘勘察研究院股份有限公司,江苏南京 210005;河海大学水文水资源学院/河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098【正文语种】中文【中图分类】P641.2自由渗流面与地下水潜水水面特征相似,具有复杂的非线性,是河流等地表水入渗补给地下水、大坝渗流等定量化计算的难点,目前,尚未发现确定自由渗流面的解析法,在实际工程应用中常用数值方法求解。
求解该类问题的数值方法可分为两类:变网格法和固定网格法。
由于变网格法操作复杂,容易使计算网格畸变,难以处理存在水平介质分层及各种复杂夹层的情况等缺点,因而研究较少。
为此,国内外学者提出了许多与固定网格法相关的处理技术,主要有剩余流量法、初流量法、节点虚流量法、单元渗透矩阵调整法、复合单元法及截止负压法等[1-6]。
但这些处理技术大多方法复杂,操作困难,应用不便。
本文利用开源地下水数值模拟软件MODFLOW[7]及SUTRA[8],提出了采用干湿单元转化、缓变渗透系数矩阵法推求自由渗流面的方法,成功推求了自由渗流面,有效地提高了目前河流与地下水交互作用计算的求解精度。
堤防工程设计中渗流计算若干问题的探讨

堤防工程设计中渗流计算若干问题的探讨摘要:水利水电工程设计是整个工程中十分重要的一个环节,渗流计算在水利水电工程设计中应用非常普遍。
本文结合笔者多年工作经验,就堤防工程设计中渗流计算的几种方法进行了初步的分析,并提到计算中应注意的一些问题,仅供参考。
关键词:水利水电;工程设计;渗流计算;水力学解法;有限元解法1计算目的(1)坝体(堤身)浸润线的位置。
(2)渗透压力、水力坡降和流速。
(3)通过坝体(堤身)或坝(堤)基的渗流量。
(4)坝体(堤身)整体和局部渗流稳定性分析。
2渗流计算的主要方法渗流计算求解方法一般可分为以下四种类型。
(1)流体力学解法:是一种严格的解法,在满足定解的边界条件下可以求出渗流场中任何一点的值。
但解答非常复杂,只对少数简单的情况有效,在实际工程应用上受到较多的制约。
(2)水力学解法:是流体力学解法的近似解。
是在作了某些假定的基础上对一些特定的边界条件的流体力学解法。
同样在实际工程应用上受到较多的制约。
(3)模拟试验:基于上述二种方法的缺点,对于实际工程,原常通过水力学实验来模拟求解渗流问题。
(4)计算机数值模拟:通过建立一个数学模型,来求解渗流问题,也称数值法,数值法又分为有限差分法、有限元法。
目前,上述渗流计算方法中在水利工程上应用最广的主要是水力学解法和有限元法。
3渗流计算工况组合及渗透系数的选取3.1常规堤防工程常规的堤防工程计算提出了三种水位组合,此三种水位组合的渗流计算目的及相应土体的渗透系数选取原则主要为:(1)临水侧为高水位,背水坡为相应水位。
本组合的计算目的:①计算背水坡可能最高的逸出点位置、背水坡逸出段及背水坡基础表面出逸比降,用于背水坡渗流安全复核、反滤层及排水设施设计;②背水坡面可能最高的浸润线,用于背水边坡稳定计算;③当堤身、堤基土的渗透系数大于10-3cm∕s时,计算渗流量,用于分析防渗措施对本工程运行要求的可行性和背水坡排水设施设计(对于大坝均要求进行渗流量计算)。
土木工程中的渗流场计算方法

土木工程中的渗流场计算方法引言在土木工程领域中,渗流现象的研究和计算是非常重要的。
渗流是指水流通过多孔介质的过程,它在土壤力学、水力学和地下水模拟等方面都起着关键作用。
正确计算渗流场是土木工程设计和施工的基础,因此对于渗流场计算方法的研究和应用具有重要意义。
一、概述渗流场计算的基本原理是根据多孔介质流动的守恒方程和边界条件,采用数值计算方法求解物理场的分布情况。
基本的渗流方程可以用Darcy定律表示,即流体在多孔介质中的流动速度与渗透率和渗压梯度成正比。
针对不同的土体和工程条件,有多种计算方法可以应用于渗流场的计算。
二、有限差分法有限差分法是计算渗流场的常用方法之一。
它将物理场离散化为有限个节点,利用有限差分近似代替偏导数,建立离散方程组,并通过数值迭代方法求解。
有限差分法计算简单、直观,适用于大部分渗流问题。
但是,在处理复杂边界条件和非线性问题时,有限差分法的精度和稳定性可能受到限制。
三、有限元法有限元法是另一种常用的渗流场计算方法。
它将物理场离散化为有限个单元,利用有限元的形函数对物理场进行近似,并通过建立离散方程组求解。
有限元法在处理各向异性介质和非线性问题时较有优势,且可以较好地处理边界条件。
然而,相比于有限差分法,有限元法需要更多的计算资源和复杂的数值算法,计算成本较高。
四、边界元法边界元法是一种较为特殊的渗流场计算方法。
它基于格林函数的理论,将边界上的渗流问题转化为边界上的边值问题,然后利用边界条件和格林函数进行求解。
边界元法适用于处理特殊形状和边界条件的问题,对于模拟地下水流动和地下水污染传输等问题有广泛应用。
然而,边界元法对网格划分和边界处理较为敏感,需要细致的几何建模和数值计算。
五、数值模拟软件随着计算机技术的不断进步,数值模拟软件在土木工程中的应用越来越广泛。
目前市面上有许多专业的渗流模拟软件,如FLAC、SEEP/W和MODFLOW等。
这些软件通过图形界面和高效的求解算法,实现了快速、准确地计算渗流场。
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Estim ation fage
f low based on num erical m ethod
QIN Tian—tian ,DING Guo—hui ,CHENG Qin—bo (1.Geological Survey of Jiangsu Province,Nanjing,Jiangsu 2 1 00 1 8,China;2.NanJing Surveying and Mapping Research Institute Co.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu 2 1 0005,China;3.College of Hydrology and Water Resources,Hohai UniVersity/State Key Laboratoz ̄,of Hydrology Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 2 1 0098,China)
technique in MODFLOW ,adjustment of hydraulic conductivity and smooth variation of hydraulic conductivity in SUTRA.Sire—
ulated resuhs of these three methods shows that the dr y —wet cell transfer technique in MODFLOW offers a steady and highest precision of the equation solution which describes free seepage surface;the m ethod of sm ooth variation of hydraulic conductivi—
ty we developed in this study improves steady of the equation solution because this solution using the original method of adjust—
ment of hydraulic conductivity in SULTRA is often unsteady. The proposed m ethod also avoids lim itations in M ODFLOW that grid must be rectangular. it offers a practical method for calculating the free seepage face and estimating water exchange be— tween groundwater and river.
Abstract:Free seepage SUrfaee is difficult to be determined because of nonlinear processes.Based on open— sources of groundwater modeling programs of M ODFLOW and SUTRA ,the seepage face was simulated using the dry—wet cell transfer
[摘 要 ] 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 。
Key words:MODFLOW ;SUTRA;adjustment element conductivity matrix method;smooth variation conductivity matrix
method;free seepage SUrface
自由渗 流 面与 地下 水潜 水 水 面 特 征相 似 ,具 有 复 杂 的 非 线性 ,是河 流 等地 表水 入 渗补 给 地 下 水 、大 坝 渗 流 等 定 量 化 计算 的难点 ,目前 ,尚未发 现 确定 自由渗流 面 的解 析 法 ,在 实 际工 程 应用 中常 用 数 值 方 法求 解 。求 解 该 类 问题 的 数 值 方 法 可分 为两 类 :变 网格 法和 固 定 网格 法 。由 于 变 网格 法 操 作 复 杂 ,容 易使 计 算 网格 畸 变 ,难 以 处 理 存 在 水 平 介 质 分 层 及 各种 复 杂夹 层 的情 况 等 缺 点 ,因 而 研 究 较 少 。为 此 ,国 内外 学 者提 出 了许 多 与 固定 网格法 相 关 的 处理 技 术 ,主要 有 剩 余 流量 法 、初 流量 法 、节 点 虚 流 量 法 、单 元 渗 透 矩 阵 调 整 法 、复 合单 元 法及 截 止 负 压 法 等 J。但 这 些 处 理 技 术 大 多 方 法 复杂 ,操作 困难 ,应用 不便 。
2018年 7 月 第 40卷 第 4期
地 下 水 Ground water
Ju1.,2018 Vo1.40 N0.4
自由渗 流 面 及 渗 流 量 推 求 的数 值 计 算 方 法 探 讨
秦 甜 甜 。丁 国 辉 ,程 勤 波
(1.江 苏省 地 质调 查研 究 院 ,江 苏 南 京 210018;2.南京 市 测 绘勘 察 研 究 院股 份 有 限 公 司 ,江 苏 南京 210005;3 河 海 大学水 文 水 资源学 院/河 海大 学水 文 水资 源 与水 利工 程科 学 国家 重 点实 验室 ,江苏 南 京 210098)