基于地质统计学土石坝渗流分析.docx

基于地质统计学土石坝渗流分析书目 第一章绪论 . 2 1.1 探讨背景 . 2 1.2 国内外探讨进展 . 2 1.3 探讨内容及技术路途 . 4 其次章：土石坝渗流基本理论及 S ABAQUS 软件 . 4 2.1 土石坝渗流随机理论 . 4 2.2 渗流基本理论 . 5 2.3 渗流基本方程 . 6 2.4 渗流问题的边界条件和初始条件的确定 . 7 2.5 渗流的有限元分析方法 . 8 2.6ABAQUS 有限元软件 . 9 2.7 渗流应力耦合基本原理及其在 ABAQUS 中的应用 . 11 2.8ABAQUS 二维均质土坝的稳定渗流分析案例 . 12 第三 章：探讨内容 . 19 3.1 边界条件的确定 . 19 3.2 坝体渗流分析数值模拟 . 21 3.3 降雨入渗结果分析 . 26 第四章 ：总结和展望 . 29 4.1 结论 . 29 4.2 展望 . 29 参考文献 . 29第一章 绪论 1.1 探讨背景 土石坝是水工建筑物中最常见的一种，不仅仅是世界上最古老的一种坝型。也是世界大坝工程的建设中的最广为人知的一种坝型。它集应用最为广泛且发展最快等优点于一身，基于土石坝可以就地取材的优点，所以能够大大节约重要的建筑材料例如钢材水泥木材等等，因为其构造较为简洁，所以利于进行修理处理，以及加高并扩建的工作，因此常常作为挡水建筑物来应用于各项水利工程中。但因为其坝体土石材料的限制，坝身不能溢流，由于渗流的影响，使得坝体涌现渗漏问题，伴随着孔隙水压力的不断增大，到达肯定程度后，一方面可能会使坝体滑移，另一方面，由于渗流问题持续严峻，坝体内的土石材料自身容重也会产生改变，致使土体颗粒内部的有效应力的急剧减小现象，从而使坝体的抗剪强度也降低，严峻时甚至导致土石坝的溃坝。土石坝作为一种挡水建筑物，由于工作环境经常伴随着大江大河，挡水的同时必定也会出现渗流问题。边坡的稳定性干脆确定着工程的成败，也间接着影响工程的投资和效益。且近几年来，频繁发生的一系列土石坝失事事故往往都是渗流破坏的产物。依据查阅的文献说明表明，自 1979 年起，水利部工程管理局在前人的基础上，对全国水库垮坝登记册的编制可谓是具体且精准，截止 1980 年底，全国大中小水库平均溃坝率在 3.4%左右，其中依据坝型来进行分类，溃坝总数有 2925 起土石坝的失事事务，这一数据是巨大的。据资料显示，从 1981 年至 1990 年这段期间统计的 266 座水库垮坝事务中，38%的跨坝事务都是由于坝体或者坝基的渗漏问题，所以进一步可以得到结论：保证土石坝平安稳定的前提条件是要对水体的渗流进行肯定的限制。溃坝的产生，导致国民经济损失特别严峻，对于沿线人民的生命财产平安问题来说，这是一个巨大的威逼隐患。造就边坡失稳的因素许多，这其中的几何条件包括边坡的高度，坡度，形态等等。物理力学条件则包含有坡体的孔隙率，含水量等，还有断层，裂隙发育水同等边坡裂隙要素，面对这以上种种因素，最重要的还是水的渗流因素对边坡稳定性的作用，当前我国土石坝存在的平安问题却并没有得到有效解决，因此探讨土石坝渗流及限制平安问题就显得特别必要。1.2 国内外探讨进展 土石坝有如下几种常见的渗流分析法：流体力学法，水力学法，流网法，实验法等等。最先探讨土石坝渗流影响工作的方法代表主要为水力学法和图解法。这两种方法都是基于一种科学的模拟，这种方法主要以达西定律为基础，通过假设某一种状况来进行分析计算。基于土石坝渗流分析问题状况的困难性，边界条件的不同，坝体材料的差异等使得通过水力学法来计算土石坝的渗流问题基本是个不行能事务，且伴随着计算机信息水平的迅猛发展，涌现了大批的科学方法，其中为代表的为数值模拟法。1910 年，L.F.Richardsron 提出了有限差分法的概念，这一举动，拉开了数值方法探讨的大门，随后 1943 年，Courant 首先建立了有限单元法的基本思想，这在当时，是一种巨大的创新。1960 年，Clough 是 有限单元法（Finite Element Method）这一术语最先提出的代表。在实际的应用过程中，人们最早是借助有限元的方法来分析土坝中与之相关的问题，最先应用于渗流问题的探讨中，相对于国外对土石坝渗流探讨来说，我国起步相对较晚，主要起先于上世纪 70 年头，大批的探讨学者和工作人员针对土石坝渗流理论等各个方面进行了深化的探讨，1972 年，有限元计算方法渐渐走入国内，随后便蓬勃发展，渗流分析发展尤为快速，由稳定流计算发展到非稳定流计算，从饱和区渗流计算发展到饱和-非饱和的渗流计算。杨林德 1 等人提出了一种假设即饱和土体为各项异性，连续均质，以弹性力学中的虚位移假设作为桥梁，证明白假设，并给出了各向异性的饱和土体渗流-耦合的有限元公式。在渗流计算分析工作中，最大的重点也是难点在于渗流自由面的确定，因为渗流自由面事先并不知道，作为混合边界，进行处理，所以大多数状况下是先假定一个自由面，然后不断地迭代，使其靠近最终结果，这种方法的工作量很大，所以效率并不太高。随着对土石坝渗流工作的更深度地剖析，魏宁 2 等人在前人有限单元法的基础之上，做出了创新，总结出一种不靠迭代求解渗流自由面的新方法，他是在在均质土坝的基础上，进一步推广到材料分区的土石坝的渗流分析计算当中，取得了良好的效果。对于渗透分析原理方面的工作，朱崇辉 3 等人从渗透试验中得出结论：粗颗粒的特征确定了土体的渗透破坏性质。朱伟 4 等人则依据某一详细工程，结合有限元饱和非饱和渗流原理,提出了自己对于地基渗透破坏现象包括其中的发生原理和影响因素的独特见解。对于渗透变形方面，何永红 5 等人则将渗透变形的探讨重点转向了砂卵石。通过探讨砂卵石在渗透变形方面上的形成条件,并在计算方法的创新上，创建性的提出了临界坡降计算方法的这一理念，进一步对渗透变形的形式做了一个总结。葛建 6 、曾有丽 7 等人对水工建筑物常见渗透破坏的类型、成因、规律进行了具体的说明。我国在渗流分析的数值模拟方面，胜利开发了一些较为成熟的软件，这其中包括有南京水利科学探讨院的土坝渗流计算软件 UNSST2，河海高校工程力学所研发的 Auto Bank 及理正渗流分析软件等等。这些软件都是基于上述三种基本的数值方法。1.3 探讨内容及技术路途 本文主要探讨内容如下所示：一.据土石坝的特性，了解其优缺点，并进行肯定的总结。二.阐述土石坝渗流分析的背景学问，以及国外特殊是国内的探讨现状，结合土石坝的特性，从而能够对土石坝的渗流分析有一个初步的了解。三.搜集土石坝的渗流基础理论资料，并进行有效分类，着重研讨数值模拟方法在土石坝渗流工作中的适用条件及应用范围。了解三种基本数值理论，特殊是有限元的计算原理。四.本文主要通过 abaqus 软件基于有限元法来探讨土石坝的渗流问题，对软件运用合理驾驭的同时，简化计算，大大缩减了土石坝渗流探讨的工作量。其次章：土石坝渗流基本理论及 ABAQUS 软件2.1 土石坝渗流随机理论 在多数状况之下，土石坝作为岩土体，特征是非均质性和各向异性，由此可以推想岩土体各种性质都具有空间变异性，探讨表明，这种不确定性并不等同于纯随机性，空间上任一点的岩土参数的取值是与其结构性亲密相关的，简洁来说就是认为它是结构性和随机性的完备结合 10 。目前较为成熟的渗流理论是建立在连续介质的基础之上的，但因为把在肯定空间中绽开的岩土参数看成是纯随机性和各向同性，所以不能够表现出空间局部范围和特定方向上的岩土参数的改变特征及其规律。考虑到岩土成因条件及各项要素都会对岩土的性质或多或少产生肯定的作用，所以用随机场的模型理念来反映岩土参数的改变。在土石坝的探讨过程中，边界水位和渗透系数等等能够确定坝体及坝基渗流场内各点的水头参数，在确定性渗流分析中，可以将这些参数作为定值来进行肯定的处理，而在实际工程中，这些参数并不会是确定值，会在某个确定值范围内进行肯定的波动，举个例子来说吧，坝体的实际工作过程中，因为自然条件或人为条件的干涉，上下游的水位不行能固定在某一个位置不发生改变，而对于渗透系数的改变就更多了，坝体的任一位置的渗透系数都有着差别，而这些重要参数的不确定性，我们可以用处理随机变量的方式来进行分析。处理随机变量的方法主要是依据它的数学参数例如分布类型，均值，方差，协方差等来进行描述。而上述方法都可以利用数值统计来获得。2.2 渗流基本理论 2.2.1 达西定律 达西定律（Darcy"s law）作为一种规律，用来描述土中水的渗流速度与水力坡降之间的一种线性关系，所以又叫作线性渗流定律。法国工程师达西在进行水通过饱和砂的试验探讨中发觉：渗流量 Q 正比于上下游水头差（h2-h1）和垂直于水流方向的截面积，反比于渗流长度 L。综上所述，表达式如下所示：Q=KA （ 2− 1 ）𝐿(2-1)J= （ 2− 1 ）𝐿 (2-2)V= 𝑄𝐴 (2-3) V=KJ (2-4) 式中的参数如下表示：Q：通过的渗流量 K:渗透系数 L：试样的渗径 J：水力比降 V：渗流流速 依据（2-1），（2-2），（2-3）推导出（2-4）达西定律揭示出了土体中渗流水体流淌的流速，水力比降以及土的渗流物理性能三者之间的相互关系。因为渗流流速 v 正比于水力比降 J 的一次方，因而达西定律又称叫作线性渗透定律。而达西定律并不是任何条件都可以适用，它具有肯定的适用范围即须要满意雷诺数 Re在 110 之间的某一数值，而且是层流运动。因为当雷诺数超过这一范围时，V 与J 不再是线性关系。所以为了科学的应用达西定律，就要确定达西定律的上下限。而在详细工程中，考虑大状况，超过达西定律上下限的区域往往占少数，而且大多数的土例如砂土黏土中的渗流问题都能应用层流规律进行解决，因此对于简化计算来说，可以应用达西定律处理。达西定律是进行全部的渗流分析工作求解的前提条件。2.3 渗流基本方程 2.3.1 水流连续性方程 水流连续性方程的建立是基于质量守恒定律的基础之上，也是描述渗流场基本方程之一。图 2-1 微分单元体 FIG. 2-1 body of differential element 依据渗流场内的水质点在任一单元体内的增减速度等于出入该单元体流量速率差，举例说明例如从下面进入的水体质点质量为ρVz*dxdy，经过其上面流出单元的水体质量为（ρVz+∂∂z ρVzdz）dxdy，则从单元体相对两面的水体质量之差为-∂∂z ρVzdz）dxdy。同理对左右前后两面进行分析，得出单元体内进水量之.