积石峡面板堆石坝复杂渗流场有限元精细模拟.pdf

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1、第43卷第5期人民长江V01．43．No．52012年3月YangtzeRiverMar．，2012文章编号：1001—4179(2012)05—0054—05积石峡面板堆石坝复杂渗流场有限元精细模拟刘昌军，丁留谦，徐泽平，蔡新合，张顺福(1．中国水利水电科学研究院防洪抗旱减灾研究所，北京100038；2．中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西西安710065)摘要：运用自主研发的三维渗流有限元可视化分析软件GWSS，对积石峡面板堆石坝的坝体(包括面板、过渡层、排水层、堆石料等)、坝基、防渗帷幕以及泄洪洞和底孔排沙洞等结构进行了精细建模。在此基础上采用求解有自由面的改进截止负压

2、法、隧洞子结构法和求解大型稀疏矩阵的预处理共轭梯度算法对积石峡面板堆石坝复杂渗流场进行了数值模拟。重点研究了面板和防渗帷幕联合作用下渗流场分布特征和防渗效果，以及泄洪洞和底孔排沙洞对大坝渗流场的影响等。计算结果表明，在正常运行条件下，面板结合防渗帷幕能够起到很好的防渗作用，坝体内自由面较低，左岸底孔排沙洞和泄洪洞也起到了很好的排水作用，大大降低了左岸山体的地下水位，有利于大坝和岸坡的稳定。关键词：精细模似；复杂渗流场；地下洞室；防渗效果；面板堆石坝中图法分类号：TV641文献标志码：A近年来面板堆石坝防渗结构的渗流特性和渗透稳1渗流场求解理论及软件编制定性广受关注，面板和防渗帷幕

3、组合防渗体系的防渗效果是设计部门关心的重要问题¨。。面板堆石坝复1．1渗流场求解的基本理论杂渗流场的数值模拟也是目前水利工程数值模拟的难非均质各向异性岩体稳定饱和渗流问题的控制方点问题。程为一方面，面板、过渡层和排水层等结构较薄，给有一击)_0(1)限元网格剖分带来较大困难，网格长宽比差异较大以及渗透系数差异等都给模型收敛带来困难。另一方式中，为坐标，=1，2，3；k为达西渗透系数张量矩面，泄洪洞和底孔排沙洞等结构的排水对坝体和边坡阵；h=，+p／r，为总水头，，为位置水头。的渗流场影响较大，其精细模拟也是面板堆石坝渗流非均质各向异性介质稳定渗流的定解问题一般包场求解的难点。因此

4、对于这样多种防渗措施共同作用含4种边界条件，即已知水头边界、不透水边界、出渗下的无压复杂渗流场的分析，采用合适的数值模拟方面边界和自由面边界。对上述问题采用固定网格的有法和数值分析软件是至关重要的。限元法进行求解，根据变分原理，求解泛函数和支配方本文联合运用了求解有自由面的改进截止负压程为法、管道子结构法和求解大型稀疏矩阵的预处理共轭n㈩=÷』kqdn(2)梯度算法等渗流场求解关键技术，对积石峡面板堆石KP=F(3)坝复杂渗流场进行了有限元分析。重点研究了面板和防渗帷幕联合作用下渗流场分布特征及其防渗效果以式中，H()为泛函数；，P，F分别为渗流实域的传及泄洪洞和底孔排沙洞对大坝

5、渗流场的影响等。导矩阵、节点水头压力列阵和已知节点压力列阵。收稿日期：2011—06一l5基金项目：国家国际科技合作计划资助项目(201074520)；国家“十一五”科技支撑课题(2008BAB42B05，2008BAB42B06)作者简介：刘昌军，男，工程师，博士研究生，主要从事水利工程渗流数值模拟方面的研究。E—mail：lcj2005@iwhr．eom第5期刘昌军，等：积石峡面板堆石坝复杂渗流场有限元精细模拟55在有自由面的渗流场分析中，自由面的求解至关(2)高压管道的子结构模式。一般地下隧洞根据重要，文献[11]给出的改进截止负压法，解决了复杂边界特点可分为两类：①进行衬

6、砌的隧洞；②不进行无压渗流的求解问题。改进截止负压法能准确地考虑衬砌的隧洞。对于无衬砌的隧洞分别采用挖空处理，单元的部分饱和非饱和作用，准确地计算单元结点外而对有衬砌的隧洞可采用一重子结构法进行剖分和计力或结点不平衡力，从而提高计算精度和收敛速度。算，具体剖分形式见图1。1．2预处理共轭梯度算法采用预处理共轭梯度算法(PCG)对线性方程组式(3)进行联立求解。PCG法假设矩阵A被分为两个矩阵，即：A=M+N(4)式中，为A的预条件形式，要求M容易倒置且尽可能与A相似，在PCG法中M必须总是对称且正定的。有关预处理共轭梯度算法的具体求解方法见文献图1隧洞横截面子结构[12]。1．4

7、软件编制PCG法是在共轭梯度法的基础上，对系数矩阵进在上述理论基础上，采用IDL语言编制了三维渗行了预处理，即减少条件数，使迭代收敛速度大大提高。由于其具有收敛速度更快和精确性更高的优点，流有限元计算软件GWSS(GroundWaterSimulationSystem)¨。该软件主要功能模块包括地表模块、在复杂的地下水数值计算中有着良好的应用¨。钻孔模块、网格剖分模块、有限元计算模块、后处理显1．3隧洞子结构法示模块及制图输出模块组成。地下深埋高压隧洞或地下管道的排水、高压水头G