基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的土石壩滲流分析

第一章緒論 21.1研究背景 21.2國內(nèi)外研究進(jìn)展 21.3研究內(nèi)容及技術(shù)路線 4第二章：土石壩滲流基本理論及ABAQUS軟件 42.1土石壩滲流隨機(jī)理論 42.2滲流基本理論 52.3滲流基本方程 62.4滲流問題的邊界條件和初始條件的確定 72.5滲流的有限元分析方法 82.6ABAQUS有限元軟件 92.7滲流應(yīng)力耦合基本原理及其在ABAQUS中的應(yīng)用 2.8ABAQUS二維均質(zhì)土壩的穩(wěn)定滲流分析案例 第三章：研究內(nèi)容 3.1邊界條件的確定 3.2壩體滲流分析數(shù)值模擬 3.3降雨入滲結(jié)果分析 第四章：總結(jié)和展望 4.1結(jié)論 4.2展望 參考文獻(xiàn) 第一章緒論土石壩是水工建筑物中最常見的一種，不僅僅是世界上最古老的一種壩型。也是世界大壩工程的建設(shè)中的最廣為人知的一種壩型。它集應(yīng)用最為廣泛且發(fā)展最快等優(yōu)點(diǎn)于一身，基于土石壩可以就地取材的優(yōu)點(diǎn)，所以能夠大大節(jié)約重要的建筑材料例如鋼材﹑水泥﹑木材等等，因?yàn)槠錁?gòu)造較為簡單，所以利于進(jìn)行維修處理，以及加高并擴(kuò)建的工作，因此經(jīng)常作為擋水建筑物來應(yīng)用于各項(xiàng)水利工程中。但因?yàn)槠鋲误w土石材料的限制，壩身不能溢流，由于滲流的影響，使得壩體使壩體滑移，另一方面，由于滲流問題持續(xù)嚴(yán)重，壩體內(nèi)的土石材料自身容重也會(huì)產(chǎn)生變化，致使土體顆粒內(nèi)部的有效應(yīng)力的急劇減小現(xiàn)象，從而使壩體的抗剪強(qiáng)度也降低，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致土石壩的潰壩。土石壩作為一種擋水建筑物，由于發(fā)生的一系列土石壩失事事故往往都是滲流破壞的產(chǎn)物。論：保證土石壩安全穩(wěn)定的前提條件是要對水體的滲流進(jìn)行一定的控制。潰壩的是一個(gè)巨大的威脅隱患。造就邊坡失穩(wěn)的因素很多，這其中的幾何條件包括邊坡有斷層，裂隙發(fā)育水平等邊坡裂隙要素，面對這以上種種因素，最重要的還是水有效解決，因此研究土石壩滲流及控制安全問題就顯得格外必要。驗(yàn)法等等。最先研究土石壩滲流影響工作的方法代表主要為水力學(xué)法和圖解法。這兩種方法都是基于一種科學(xué)的模擬，這種方法主要以達(dá)西定律為基礎(chǔ)，通過假設(shè)某一種情況來進(jìn)行分析計(jì)算?；谕潦瘔螡B流分析問題情況的復(fù)雜性，邊界條件的不同，壩體材料的差異等使得通過水力學(xué)法來計(jì)算土石壩的滲流問題基本是個(gè)不可能事件，且伴隨著計(jì)算機(jī)信息水平的迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)了大批的科學(xué)方法，人們最早是借助有限元的方法來分析土壩中與之相關(guān)的問題，最先應(yīng)用于滲流問向異性的飽和土體滲流-耦合的有限元公式。在滲流計(jì)算分析工作中，最大的重點(diǎn)進(jìn)行處理，所以大多數(shù)情況下是先假定一個(gè)自由面，然后不斷地迭代，使其逼近原理,提出了自己對于地基滲透破壞現(xiàn)象包括其中的發(fā)生原理和影響因素的獨(dú)特見過研究砂卵石在滲透變形方面上的形成條件,并在計(jì)算方法的創(chuàng)新上，創(chuàng)造性的提出了臨界坡降計(jì)算方法的這一理念，進(jìn)一步對滲透變形的形式做了一個(gè)總結(jié)。葛說明。我國在滲流分析的數(shù)值模擬方面，成功開發(fā)了一些較為成熟的軟件，這其中包括有南京水利科學(xué)研究院的土壩滲流計(jì)算軟件UNSST2，河海大學(xué)工程力學(xué)所三.搜集土石壩的滲流基礎(chǔ)理論資料，并進(jìn)行有效分類，著重研討數(shù)值模擬方法在土石壩滲流工作中的適用條件及應(yīng)用范圍。了解三種基本數(shù)值理論，特別是有第二章：土石壩滲流基本理論及ABAQUS軟件以推測巖土體各種性質(zhì)都具有空間變異性，研究表明，這種不確定性并不等同于和各向同性，所以不能夠表現(xiàn)出空間局部范圍和特定方向上的巖土參數(shù)的變化特征及其規(guī)律。考慮到巖土成因條件及各項(xiàng)要素都會(huì)對巖土的性質(zhì)或多或少產(chǎn)生一定的作用，所以用隨機(jī)場的模型理念來反映巖土參數(shù)的變化。為條件的干涉，上下游的水位不可能固定在某一個(gè)位置不發(fā)生變化，而對于滲透系數(shù)的變化就更多了，壩體的任一位置的滲透系數(shù)都有著差別，而這些重要參數(shù)主要是根據(jù)它的數(shù)學(xué)參數(shù)例如分布類型，均值，方差，協(xié)方差等來進(jìn)行描述。而Q=KA（h2-h1）LJ=（h2-h1）LA根據(jù)（2-12-22-3）推導(dǎo)出（2-4）達(dá)西定律揭示出了土體中滲流多數(shù)的土例如砂土黏土中的滲流問題都能應(yīng)用層流規(guī)律進(jìn)行解決，因此對于簡化計(jì)算來說，可以應(yīng)用達(dá)西定律處理。達(dá)西定律是進(jìn)行所有的滲流分析工作求解的FIG.2-1bodyofdifferentialelement?z?z?x?y?z?x?y?z-?x?y?z?x?y?t?y?z?x滲流場根據(jù)運(yùn)動(dòng)要素是否與時(shí)間有關(guān)劃分為兩部分：穩(wěn)定滲流場和非穩(wěn)定滲2.3.2.1穩(wěn)定滲流基本方程 ?(Kxx?h+Kxy?h+Kxz?h)+?(Kyx?h+Kyy?h+Kyz?h)+?(Kzx?h+Kzy?h+Kzz?h)=0?x?x?y?z?y?x?y?z?z?x?y?z上述為普通土體的穩(wěn)定滲流基本方程，若假設(shè)土2.3.2.2非穩(wěn)定滲流基本方程 ?(Kxx?h+Kxy?h+Kxz?h)+?(Kyx?h+Kyy?h+Kyz?h)+?(Kzx?h+Kzy?h+Kzz?h)=S?h（2-7）?x?x?y?z?y?x?y?z?z?x?y?z?t此為普通土體的非穩(wěn)定滲流場的基本方程。釋放出來的儲(chǔ)水量。單位為??1?x?x?x?t表達(dá)式：〔（Kxx?h+Kxy?h+Kxz?h）lx+(Kyx?h+Kyy?h+Kyz?h)ly+(Kzx?h+Kzy?h+Kzz?h)lz〕?x?y?z?x?y?z?x?y?z?nk?h?nα,β：邊界點(diǎn)上的已知數(shù)有限元法在求解滲流時(shí)，會(huì)將待求解的滲流區(qū)劃分為多個(gè)子區(qū)域，這些子區(qū)域之間能夠相互連接，然后再用這些子區(qū)域內(nèi)連續(xù)的分區(qū)近似水頭來替代待定的情況復(fù)雜的求解域進(jìn)行模型化處理。其中各子區(qū)域內(nèi)的近似函數(shù)一般通過未知場以由已經(jīng)知道的若干內(nèi)插值函數(shù)通過迭加的方法求得[12]。而這些待定系數(shù)就可以近似的為單元邊界各節(jié)點(diǎn)的水頭函數(shù)，相互連接的有限元他們所有的連接節(jié)點(diǎn)上求滲透區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)水頭函數(shù)就反映了該滲透區(qū)域整體的水頭函數(shù)。其求解實(shí)質(zhì)就是講微分求解變成有限個(gè)待求值的代數(shù)方程，未知量求出后就可以利用插值函數(shù)求得各有限單元的滲流場函數(shù)近似值，從而求得整個(gè)滲流場的函數(shù)解[13]。在求解過程中，有限元的數(shù)量越多或者是有限單元的自由度越多那么近似解就越接近有限元法的求解基礎(chǔ)為變分泛函數(shù)積分，把微分方程和邊界條件轉(zhuǎn)變成線性方程組再求得泛函數(shù)極值，從而求得滲流結(jié)果。運(yùn)用有限元法對滲流場中的水頭：［：［］：①把求解偏微分方程轉(zhuǎn)變?yōu)榍蠼庾兎帧＂侔亚蠼馄⒎址匠剔D(zhuǎn)變?yōu)榍蠼庾兎?。②離散化研究區(qū)域，劃分為若干個(gè)有限單元，并確定插值函數(shù)。③利用各有限單元插值函數(shù)逼近變分水頭函數(shù)求得代數(shù)方程組，從而獲得單元滲④將各個(gè)子區(qū)域的滲透矩陣整合為總體的滲透矩陣，并聯(lián)系定解條件求得總體的⑤求解得出的線性方程組，獲得各節(jié)點(diǎn)未知水頭值和其它的滲流要素。實(shí)際工程中的土石壩滲流問題幾乎都隸屬于三維滲流問題，因此研究土石壩滲流的前提條件為研究三向空間滲流問題。三向空間問題的基本有限元單元可以元法求解土石壩的滲流問題時(shí)，滲流自由面的確定是重中之重，因此，如何確定②作為一個(gè)合格的巖土工程分析軟件，它必須具備能夠處理復(fù)雜邊界及載荷條件模擬填土或開挖造成的邊界條件改變，值得一提的是，該軟件還提供了無限元，模擬填土或開挖造成的邊界條件改變，值得一提的是，該軟件還提供了無限元，③巖土工程數(shù)值分析步中須將初始應(yīng)力的作用考慮在內(nèi)，而該軟件為此專門提供了相應(yīng)的分析步，這樣就可以靈活又精準(zhǔn)的打建初始應(yīng)力狀態(tài)。④土體是典型的三向體，就目前的理論而言，學(xué)者們普遍認(rèn)為土體的強(qiáng)度和變形土體的本構(gòu)模型可以反映出土體的力學(xué)性能，因此具有重要作用。土體的本利用兩個(gè)材料參數(shù)：應(yīng)力E和應(yīng)變V就能描述。局限性在于該模型并不能反映土鄧肯-張模型的建立的基礎(chǔ)是土體的三軸實(shí)驗(yàn)，康納根據(jù)三軸實(shí)驗(yàn)得到了土體a+bεaEt=d(?1—?3)=a?ε1(a+bε1)2摩爾-庫倫模型把土體的極限平衡理論作為基礎(chǔ)，認(rèn)為土體破壞時(shí)土體的抗剪強(qiáng)度?1—?3?1—?32.7.2.1應(yīng)力場影響下二維穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型: ?x?x?y?y?n2?n2?n3-?n32.7.2.2滲流場影響下的應(yīng)力場數(shù)學(xué)模型［K］[△δ]=[△F］+[△Fs］;(x,y)∈Ω2.7.2.3滲流場和應(yīng)力場耦合的數(shù)學(xué)模型［K］[△δ]=[△F］+[△Fs］2.8.2.1模型建立與求解/【Create】，創(chuàng)建一個(gè)材料，并命名為/【PoreFluid】/【Permeability】選項(xiàng)中定義飽和時(shí)的滲透系數(shù)為/【PoreFluid】/【Sorption】選項(xiàng)中僅定義吸濕曲線。/【Section】命令，把材料賦給相應(yīng)的區(qū)域。圖2-3計(jì)算終止時(shí)的孔壓等值線圖FIG.2-3calculationofporepressurecontourmapattermination圖2-5網(wǎng)格積分點(diǎn)流速矢量圖FIG.2-5flowvelocityvectordiagramofgridintegrationpoints圖2-6飽和度的等值線圖FIG.2-6contourmapofsaturation圖2-7下游無水時(shí)浸潤線圖2-11滲透系數(shù)隨機(jī)無下游水位浸潤線圖2-12滲透系數(shù)隨機(jī)下游水位1.5米浸圖2-13滲透系數(shù)隨機(jī)下游水位3米FIG.2-13permeabilitycoefficientofrandomdownstreamwaterlevel3m第三章：研究內(nèi)容浸潤面以下的部分為飽和土，浸潤線以上的部分屬于非飽和土。本文采用固定網(wǎng)圖3-1邊界條件示意圖FIG.3-1schematicdiagramofboundaryconditionsS2壩體與水平基準(zhǔn)面交接觸，由于該邊界隸料參數(shù)如下所示：粘聚力c=15kPa，內(nèi)摩擦角φ=30°,彈性模量E=100Mpa，泊松圖3-2算例的有限元表格FIG.3-2finiteelementtableofanexampleKw=awKws/[aw+（bw*(ua-uw）^cw]3.2.3.1初始狀態(tài)結(jié)果分析FIG.3-3porepressuredistributionbeforerainfall圖3-4降雨之前的飽和度分布Figure3-4saturationdistributionbeforerainfallFIG.3-5stressdistributionbeforerainfallH