混凝土重力坝稳定渗流场数值模拟研究.pdf

l 1 6 低温建筑技术 2 0 1 4 年第 6 期( 总第 1 9 2 期) 混凝 土重 力坝稳定渗流场数值模拟研 究 唐易民， 赵海涛 ， 祁潇 ， 朱晓琳 ( 河海大学土木与交通学院 。 南京2 1 0 0 9 8) 【 摘要】 利用热传导与水渗流的相似性， 运用大型通用软件 A N S Y S 的热分析模块对混凝土重力坝稳定渗 流场进行模拟计算。以青海省某混凝土重力坝非溢流坝坝段为算例， 在 A N S Y S计算过程中， 采用死活单元技术， 并对过渡区的单元进行传导矩阵修正， 运用自由面适应网格方法， 得到渗流场分布。为验证计算结果的准确性， 将 A N S Y S结果与传统渗流分析软件 S e e p W结果进行比较 ， 结果表明 A N S Y S 热分析模块对混凝土重力坝稳定渗 流场进行数值模拟计算的可用性。 【 关键词】 渗流场 ； 温度场； 相似性； A N S Y S ； 可用性 【 中图分类号】 T U 3 7 5 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) o 6 0 1 1 6 0 3 NUN RI CAL S D ULATI oN ANALYS I S 0F S TABL E S EEP AGE FLoW oF CoNCRETE GRAVI TY DAM T A N G Y i - mi n ， Z HA O Ha i t an ， Q I X i a o ， Z H U X i a o - l i n ( D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，H o h a i U n i v e r s i t y，N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ) Abs t r a c t： Owi n g t o t h e s i mi l a r i t y b e t we e n t h e t h e r ma l c o n d u c t i o n a n d wa t e r s e e p a g e flo wi n g ，t h e l a r g e s c a l e g e n e r al fini t e e l e me n t s o f t wa r e ANS YS a c t i n g a s t h e p l a tfo r m ，t h e c o mp u t a t i o n o f the s t a b l e s e e p fl o w fi e l d o f c o n c r e t e g r a v i t y d a m i s s i mu l a t e d b y t h e ANS Y S f u n c ti o n o f t e mp e r a t u r e fi e l d an a l y s i s T h i s p a p e r ta k e s s o m e c o n c r e t e gra v i t y d am l o c a t e d o n Q i n g h a i p r o v i n c e a s a n e x am p l e I n t h e p roc e s s o f AN S YS c a l c u l a ti o n ，b y a p p l y i n g t h e e l e me n t b i rth o r d e a th t e c h n i q u e ，a me n d i n g c o n d u c tan c e ma t r i x o f t h e u n i t s i n t r a n s i t i o n z o n e ， a n d t h e me t h o d o f W a t e r F r e e S u r f a c e Ad a p ti n g Gr i d S y s t e m， we g e t the d i s t r i b u t i o n o f S e e p a g e fie l d A c o mp a rison b e t we e n t h e ANS YS r e s u l t s an d S e e p W r e s u l t s i s ma d e t o c o n f o rm t h e a c c u r a c y o f t h e AN S YS c alc u l a t i o n r e s u l t s I n c o n c l u s i o n ， i t i s f e a s i b l e t o a p p l y t h e ANS Y S f u n c t i o n o f t e mp e r a t u r e fie l d a n aly s i s i n t h e c o mp u tat i o n o f t h e s t a b l e s e e p a g e o f c o n c ret e g r a v i t y d a m Ke y wo r d s： s e e p a g e fi e l d；t e mp e r a t u r e fie l d；s i mi l a r i t y；ANS YS；f e a s i bi l i t y 渗流计算是堤坝设计及除险加固中的一项重要 内容。实际工程边界条件复杂、 渗流介质不单一等因 素导致工程 中常采 用 的近 似解 法往 往不 能得 到 满意 的结果， 目前借助 A N S Y S软件进行渗流场数值模拟 的研究已经大量展开。吴建东 使用生死单元技术 进行渗流模拟计算， 罗微 使用 A N S Y S 热分析进行土 坝渗流计算。本文在前人的研究基础上 ， 调用 A N S Y S 热分析模块结合单元生死技术进行了稳定渗流模拟， ( 3 ) 桩身弯矩是确定双排桩挡土墙构造尺寸的 重要条件， 其对于桩排距变化较为敏感， 桩排距增大 会增加前排桩土压力 ， 同时减少后排桩土压力 ， 造成 前后排桩结构弯矩成反比例变化。在实际设计 中， 应 将工程造价和挡土墙水平位移综合考虑， 并选择前后 排桩控制弯矩值较为接近的排距。 参考文献 1 王军， 王磊， 肖昭然 双排桩支护排距的有限元分析与研究 2 3 J 地下空问与工程学报， 2 0 0 5 ， ( 1 ) ： l 2 丁克， 戚红祥 单排及双排灌注桩挡土墙型式的设计与应用 J 江西水利科技， 2 0 0 1 ， ( 4 ) ： 1 2 何亚飞， 杨敏 双排桩支护结构的计算模型对比分析 J 低 温建筑技术， 2 0 0 9 ， ( 9 ) 【 收稿 日期 2 0 1 40 31 2 作者简介 张茜茜( 1 9 8 1 一) ， 女 ， 哈尔滨人， 硕士研究生。 工 程师， 从事城市道路与桥梁的设计工作。 唐易民等： 混凝士重力坝稳定渗流场数值模拟研究 l 1 7 并与 G e o s t u d i o 软件中 S e e p W 模块计算结果进行 对 比， 取得了令人满意的结果。 1 温度 场与渗流场的相似性 温度场中热能在温度梯度的驱动下从高温地区 向低温地 区传导 ， 类似的情形出现在渗流场中， 即水 在水头梯度的驱动下从高水头的地方流向低水头的 地方。水渗流与热传导在微分方程形式 、 控制变量以 及相关参数具有很大的相似性 】 ， 不妨尝试用温度场 来模拟渗流场。 1 1 基 本理论 等效连续介质中的渗流层流运动满足达西定律， 其数学表达形式： Q 。：A v ( 1 ) ：一 k 。 A _ H ：一k A H ( 2 ) 其中， Q ， 为渗流量； A为断面面积 ； 为渗流流速； k 为渗透系数 ； 日为渗流场中各点的测压管水头； 为 渗径长度 ； ， 为渗流坡降。 傅立叶定律是热传导中的基 础， 是基 于实验结果的归纳总结， 适用 于所有物质的 任意状态， 其数学表达形式： Q =A q ” ” ( 3 ) =一 kH d T =一 ( 4 ) 其中， Q 为热流量； A为断面面积； 口 ” 为热流密 度 ； 后 为热传导系数； T为各点的温度。 结合比较式( 1 ) 、 式( 2 ) 与式( 3 ) 、 式( 4 ) 发现两者 在理论 的表达形式上存在很好的相似性。 渗流流速 与热流密度q 均是梯度的函数 ， 渗透系数k 与热传导 系数 k 均为参数 。 1 2 微分方 程 如忽略毛细现象、 非饱和部分和蒸发的影响， 将 达西定律代入渗流连续性方程， 可得到不同压缩流体 在不可压缩等效连续介质中稳定渗流基本微分方程 ： 丢 ( ) + ( 等 ) + ( 。 警 ) = o( 5 ) 根据热力学第一定律 ， 瞬态温度场满足拉普拉斯 方程 ： 调用 A N S Y S 热分析模块模拟渗流场计算提供可能。 1 3 初始条件和边界条件 渗流场中初始条件为： 川 =H ( x ， ) ， ， ) ； 第一类 边界条件为： HI =H( x ， y , z ， t ) ； 第二类边界条件为： k I r=一 ( ， Y ， )。 温度场中初始条件为： T I = ( ， ， ， ， z ) ； 第一类 边界条件为： I =T ( ， ) ， ， ， t ) ； 第二类边界条件为 ： rg ” ( ， Y ， ) 。 温度场模型的绝热边界与渗流区域的隔水边界 相对应 ， 导热边界 和 透水边界相 对应 ，导热 边界上 的 温度则 和透水边界上 的水头相对应 。 2 工程实例 ( 1 ) 工程概况。青海省某混凝土重力坝， 水库 正常蓄水位为 2 4 2 4 O O m， 最大坝高 2 7 m， 设计洪水位 2 4 2 4 m， 校核洪水位 2 4 2 6 m， 总库容 4 0 5 3 7万 r n 3 ， 设计 引用 流量 7 2 m s 。 ( 2 ) 计算工况。为结合工程设计 的需要， 稳 定渗流场计算采用三组工况。其中工况 1为正常蓄水 位， 工况2为设计洪水位， 工况 3为校核洪水位。工况 详细见表 1 ， 在渗流计算时将实际特征水位转换为括 号内的数值。 表 1 稳定渗流场计算工况 3 A N S Y S软件计算 3 1 模型建立 模型计 算范 围为： 向上游截取 2倍 坝高( 闸室 高) ， 向下游截取 2 倍坝高 ， 向基岩截取 2倍坝高。采 用六面体八节点等参单元进行网格剖分， 有限元模型 如 图 1 所示。 pc O T 一 去 ( ) + ( O T，) + 去 ( a l1 ) 一p Q =0 ( 6 ) 式中， P为材料密度； C为 比热； Q为物体内部热 源密度 ； 七 后 、 | 分别为介质的三向热传导系数。 当稳 态温度场且内部不存在热源的情况下， 式( 6 )即变为： -( k H , o 卿r ) + ( O r ) + 去 ( 尼 O r ) = 0 ( 7 ) 3 2 比较式( 5 )与式( 7 ) ， 两者在形式上极为相似， 为 图1非溢流坝段渗流计算模型 计算参数 假设坝体和岩基均为各向同性渗透材料， 进行稳