GeoSims-更新2-堤防土石坝渗流模型

1.引言我们在前一篇文章中介绍了水闸闸区饱和渗流计算的一般方法从本篇开始我们将开始介绍另一种岩土渗流问题非饱和渗流。如前篇所述稳定渗流问题的实质是基于边界条件和初始条件的拉普拉斯方程的定解问题。不同于完全饱和渗流非饱和渗流的边界条件顶部自由水面边界条件是未知的它与流经岩土体多孔介质的水流有关。以堤防和土石坝为代表的非饱和渗流问题如图1所示。图1 非饱和渗流示意图确定自由水面边界条件可用多种方法通过迭代得到作为最一般方法可通过变形网格更新网格节点坐标使饱和区域的顶部边界和自由水面一致这个自由水面就是浸润线渗流只发生于浸润线以下的饱和区域。2.工程案例下面分别以土石坝中的心墙坝和斜墙坝为例进行说明。2.1.心墙坝本大坝最大坝高22m顶宽8.5m梯形心墙底宽17m顶宽8.5m高18m。假定建基面以下为相对不透水地基大坝的典型断面结构图及网格划分图如图2图3所示。图2 心墙坝典型断面结构图图3 心墙坝典型断面网格划分图在上游水位18m下游水位1.8m按照给定的心墙和坝壳渗透系数的情况下计算得到的稳定渗流场浸润线、渗压水头分布、单宽渗流流量如下图所示。图4 心墙坝稳定渗流场单宽流量、浸润线及渗压水头云图总水头分布、渗流速度分布、边界流量、材料编号、节点编号、单元编号分别如图5-10所示。图5 心墙坝稳定渗流场总水头云图图6 心墙坝稳定渗流场渗流速度云图图7 心墙坝稳定渗流场边界流量图8 心墙坝材料编号心墙1坝壳2图9 心墙坝节点编号图10 心墙坝单元编号用户可点击点采样工具查询任意位置的属性值如图11所示。图11 点采样用户可根据坝体的设计材料物理力学参数或者根据反演得到的参数进行任意上下游水位条件的渗流计算如下图12所示当点击提交计算将与服务器之间建立websocket长连接实时的反馈计算进度如图13所示。图12 计算输入控制图13 实时反馈计算进度2.2斜墙坝本大坝为粘土斜墙坝最大坝高41m。上游坝坡设有一级马道和一处变坡坡比自上而下分别为 1:2.5、1:2.5 和 1:3.0。下游坝坡设有两级马道坡比自上而下分别为 1:2.25、1:2.25 和 1:2.5。上下游坝坡分别采用干砌石和碎石进行护坡。大坝采用粘土斜墙防渗斜墙顶部厚 2m底部厚 18m坝基采用粘土铺盖加截水槽防渗铺盖长 43.5m厚 2m截水槽中心线位于坝轴线上游 40m槽底与基岩相连底宽 10m深 10m并与粘土铺盖和粘土斜墙连为一体。大坝典型断面的结构图及网格划分图分别见图14图15所示。图14 斜墙坝典型断面结构图图15 斜墙坝典型断面网格划分图在上游水位62m下游水位38m按照给定的斜墙和坝壳渗透系数的情况下计算得到的稳定渗流场浸润线、渗压水头分布、单宽渗流流量如下图所示。图16 斜墙坝稳定渗流场单宽流量、浸润线及渗压水头云图斜墙坝其他变量的云图展示查询以及实时计算过程与心墙坝类似限于文档篇幅不再赘述读者可移步至文末视频了解。3.结语本文以心墙坝与斜墙坝这两大典型土石坝结构为研究载体系统介绍了非饱和渗流问题的求解过程以及计算结果的前端展现方法。该方法作为一种物理分析手段可与测管水位、集水堰渗漏量等监测数据相互佐证为堤坝渗流安全提供有力保障。非饱和渗流稳定渗流场中的渗流作用力是一种空间分布不均匀的体力。它作用于土颗粒之上与土体自重类似同样会对堤坝的抗滑稳定性产生显著影响。下一步我们将介绍非饱和渗流与坝体变形、稳定性分析的耦合计算进而构建更为完整的工程安全评估体系。