[发明专利]预测土石坝枢纽区渗流场及确定土石坝坝体浸润面的方法

说明书

技术领域

本发明属于水电工程中渗流场数值模拟领域，涉及基于三维精细地质模型的土石坝渗流场数值模拟方法。具体讲，涉及包括不良地质体和裂隙的精细地质模型的构建方法和基于精细地质模型的土石坝渗流场数值模拟方法，以及土石坝浸润面求解方法。

背景技术

在水利工程中，水对工程设施的破坏是影响工程安全最主要的方面。其中地下水对水利工程的作用不易观察，而且一经发现就难以挽回，经常会给工程带来重大的安全问题和经济损失^[1]。因此水利工程对地下水渗流破坏的预防非常关键。

土石坝作为世界坝工建筑中应用最广泛，发展最快的一种形式，结构简单，取材方便。土石坝筑坝的结构形式和材料特性，使得土石坝成为在各种形式的档水建筑物中，与渗流关系最为密切的一种。渗流问题直接关系到土石坝工程的稳定和安全，国内外许多溃决或破坏的土石坝工程，都是由渗流引发的，所以对土石坝渗流场合理准确地模拟分析是很有必要的。本发明主要解决复杂地质条件下准确对土石坝渗流场模拟分析方面的问题。

国内外在渗流场模拟研究中多采用达西定律分析求解渗流场，或利用温度场与渗流场等效的原理进行渗流计算，应用限制条件多，且无法有效准确的确定浸润面的位置。土石坝渗流属于有浸润面的自由渗流，如何简捷、准确地确定浸润面的位置是自由渗流场分析的关键及难点。目前广泛采用的方法是有限元固定网格法，包括Bathe和Khoshgoftaar^[2]提出的单元渗透矩阵调整法，Desai^[3]提出的剩余流量法，张有天等^[4,5]提出的初流量法以及Jiang等^[6]采用的变分不等式方法等，该类方法虽对复杂区域的适应性较好，但由于浸润面位置待定，需要迭代确定，有限元固定网格法影响了渗流场的计算精度。同时，其计算工作量大，容易产生迭代计算不收敛现象。Jie等^[7]提出运用无网格自然单元法求解带浸润面的渗流场，该法虽然计算简便，精度较高，但求解效率较低且容易产生积分误差。杨海英^[8]、钟小彦^[9]、宋永占^[10]、张瑜^[11]等曾运用有限体积法和流体体积函数(volume of fluid，VOF)法分别对闸坝坝基、辐射井、重力坝坝基、堤防等的渗流场进行分析。然而目前大坝渗流研究中大多对地质条件和坝体细节进行了较大程度的简化，尤其是在坝基方面，未能全面考虑复杂地质条件下的不同岩层地质信息、不良地质体信息以及渗控措施等各种因素对渗流场的影响；此外，运用有限体积法和VOF法对土石坝三维复杂自由渗流问题的研究鲜见报道。

其次，排水孔的模拟一直是渗流场模拟中的技术难题，目前常采用的方法有王镭等^[12]提出的排水子结构法，Zhan等^[13]提出的近似解析解结合有限元算法，王恩志^[14]提出的“以管代孔”、“以缝代井列”法，胡静^[15]提出的空气单元法等。但这些方法大多都是基于等效原理提出来的，在理论和应用方面都有一定的不足。

综上诉述，国内外研究的重点在于渗流的计算方法和具体工程应用等方面。在土石坝渗流模拟过程中，鉴于地质条件和裂隙的复杂及不确定性，很难能够建立准确的地质及裂隙模型，因此常对实际地质条件进行比较大的简化处理，这显然会大大降低模拟结果的精度。此外，目前渗流计算中常采用的方法是有限元分析方法，将温度场等效为渗流场，或采用达西定律求解渗流场，应用限制条件多，且无法有效准确的确定浸润面的位置。对于无压渗流的浸润自由面的模拟多采用有限元固定网格法，该方法虽对复杂区域的适应性较好，但由于浸润自由面位置是待求的，事先未知，需要迭代确定，有限元固定网格法影响了渗流场的计算精度。为此，本发明提出了建立包括不良地质体与裂隙的枢纽区三维地质精细模型的方法，以及基于有限体积法和VOF法的土石坝渗流计算的数学模型，实现了对土石坝复杂自由渗流场的数值模拟。

[参考文献]

[1]富强.基于先进数值模拟方法的复杂条件下土石坝渗流研究[D].浙江：浙江大学，2010。

[2]Bathe K J,Khoshgoftaar M R.Finite element free surface analysis without mesh iteration[J].Int J Numer Anal Met,1979,3:13-22。