基于地质统计学的土石坝渗流分析

目录

第一章 绪论 ................................................................................................................................................ 2

1.1研究背景 ....................................................................................................................................... 2 1.2国内外研究进展 ........................................................................................................................... 2 1.3研究内容及技术路线 ................................................................................................................... 4 第二章：土石坝渗流基本理论及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：研究内容 .................................................................................................................................... 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研究背景

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，因为其构造较为简单，所以利于进行维修处理，以及加高并扩建的工作，因此经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，到达一定程度后，一方面可能会使坝体滑移，另一方面，由于渗流问题持续严重，坝体内的土石材料自身容重也会产生变化，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，严重时甚至导致土石坝的溃坝。土石坝作为一种挡水建筑物，由于工作环境常常伴随着大江大河，挡水的同时必定也会出现渗流问题。边坡的稳定性直接决定着工程的成败，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。根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》的编制可谓是详细且精准，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起土石坝的失事事件，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座水库垮坝事件中，38%的跨坝事件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：保证土石坝安全稳定的前提条件是要对水体的渗流进行一定的控制。溃坝的产生，导致国民经济损失格外严重，对于沿线人民的生命财产安全问题来说，这是一个巨大的威胁隐患。造就边坡失稳的因素很多，这其中的几何条件包括边坡的高度，坡度，形状等等。物理力学条件则包含有坡体的孔隙率，含水量等，还有断层，裂隙发育水平等边坡裂隙要素，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安全问题却并没有得到有效解决，因此研究土石坝渗流及控制安全问题就显得格外必要。

1.2国内外研究进展

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。最先研究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，通过假设某一种情况来进行分析计算。基于土石坝渗流分析问题情况的复杂性，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可能事件，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，拉开了数值方法研究的大门，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研究中，相对于国外对土石坝渗流研究来说，我国起步相对较晚，主要开始于上世纪70年代，大批的研究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入的研究，1972年，有限元计算方法逐渐走入国内，随后便蓬勃发展，渗流分析发展尤为迅速，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，证明了假设，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，所以大多数情况下是先假定一个自由面，然后不断地迭代，使其逼近最终结果，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]等人从渗透实验中得出结论：粗颗粒的特征决定了土体的渗透破坏性质。朱伟[4]等人则根据某一具体工程，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研究重点转向了砂卵石。通过研究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，创造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、规律进行了详细的说明。我国在渗流分析的数值模拟方面，成功开发了一些较为成熟的软件，这其中包括有南京水利科学研究院的土坝渗流计算软件UNSST2，河海大学工程力学所研发的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