第22卷 第1期2006年3月西北水力发电JOURNAL OF NORTH W EST HYD ROEL ECTR I C POW ERV o l.22 N o.1M ar.2006文章编号:167124768(2006)0120039204AD 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 I NA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 I NA软件;温度场;渗流场;死活单元;浸润线中图分类号:TV641文献标识码:B1 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 I NA软件是美国AD I NA 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 I NA软件的温度场计算模块中,定义有渗流材料,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 I NA理论手册给出温度场的控制分析方程为:55x k x5Η5x+55y k y5Η5y+55z k z5Η5z+q B=0(1)边界条件满足:Η S1=Η(2)k n5Η5n S2=q S(3)式中 Η——温度; k x、k y、k z——为介质三向热传导率; q B——域内热源密度(即单位体积热生成率); S1、S2——两类已知边界条件(已知边界温度和已知边界热源密度); q S——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q S,同时q B 取为零,则上式变成:55x K x5H5x+55y K y5H5y+55z K z5H5z=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 #1=H(5)K n 5H5n #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 I NA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 I NA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 I NA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6m,下游水头为1m,坝体宽度为4m。
单元采用平面22D conduc2 ti on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 5.635.6370.12B 5.105.0920.15C 4.384.3860.14D3.253.3021.605 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1141m ,最大坝高91m ,坝轴线方位角为SE 105°。
上下游均按1∶1.7放坡。
心墙堆石坝心墙顶宽为6m ,包括两层反滤层,厚度均为3m ,帷幕平均厚度为3m(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5.38×10-7c m s ,反滤料 的渗透系数为3.37×10-3c m s ,反滤料 的渗透系数为9.07×10-1c m s ,坝壳料的渗透系数为3.62×10-2c m s ,地基取两层,范围取到3L u 线不透水层位置,折算其渗透系数为1×10-4c m s ,上层弱风化层渗透系数为1×10-3c m s ,灌浆帷幕的渗透系数为2×10-5c m s 。
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1137.64m ,下游无水情况。
水位高及所计算水头值以地基(高程为1100.00m )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 I NA 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 I NA 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 I NA 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 s)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 I NA 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 I NA 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。
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