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水闸渗流计算方法分析研究
浏览次数:301次发布时间:2019-05-15 11:07:01

水工建筑物所承受的主要荷载之一是上游的水压力,混凝土及地基并不是绝对不透水的材料,在长期的水头作用下,水将通过坝体及地基流向下游,所以在闸坝体内和地基内存在一个渗流场。渗流分析为选择合理的渗流控制措施以及评价闸坝工程的安全可靠性提供必要的依据,水闸闸基渗流是剖面的平面渗流运动,有水平的分速度,也有铅直分速度,可近似概化为二维流。闸基渗流常用的计算方法有直线比例法(渗径系数法)、流网法、电网络法[1,2]、改进阻力系数法和有限元法。改进阻力系数法[3,4]是一种分段法,把沿着地下轮廓线的地基渗流分成垂直的和水平的几个段单独处理。计算各分段的阻力系数,从而进一步求出渗透压力、渗透坡降、渗透流速及渗流量。它是一种近似的流体力学解法,计算精度较高,对复杂的地下轮廓的渗流计算亦有较大的实用意义,已在国内外得到推广,水闸设计规范计算闸基渗流就是采用这种方法。有限单元法把求解的渗流区域分成为有限个相互联系的子区域,把待定的水头函数用子区域内连续的分区近似水头函数来代替。随着计算机应用于数值计算,有限元法得到了飞速发展,可较好地模拟地质条件复杂的渗流问题。目前,可用于计算渗流的有限元软件繁多,有MARC、ANSYS、FLAC、SEEPAGE、ADINA、ABQUS、GEO-SLOPE等。本文通过对改进阻力系数法和ANSYS软件有限单元法对水闸闸基渗流进行计算比较,验证了ANSYS软件用于计算渗流场的可行性,其强大的求解器和前、后处理功能以及可视化的模型建立为设计提供了一种渗流场数值计算的途径。

1 理论依据

1.1 改进阻力系数法计算闸基渗流

改进阻力系数法是把具有复杂地下轮廓的渗流区域分成若干简单的段,对每个分段应用已知的流体力学精确解,求出各分段的阻力系数,再将各段阻力系数累加求得解答。其计算原理可详见《水闸设计规范》SL265-2001附录C。

各分段水头损失为:

进、出口段:;内部垂直段:;水平段:

式中:ξi为各分段的阻力系数;其余各参数的意义可详见规范,计算后的结果可根据规范进行局部修正。

1.2 渗流计算的有限单元法

无汇源和各向异性稳定渗流场的连续性微分方程为:

三维非均质各向异性渗流问题的控制方程为[53,60]:

式中:H 为总渗透势水头;Kx,Ky,Kz分别为介质三向热传导率;S 为贮水率(表示当水头H 变化一个单位时由于骨架变形和水的膨胀或压缩从单位体积含水层中释放或贮存的水量);t为时间。

1.3 ANSYS软件渗流计算方法

计算原理分析ANSYS理论手册[6,7]中给出温度场分析的控制方程:

式中:T 为温度;ρ为介质密度;q(—)为单位体积热生成率;c为比热;Kx,Ky,Kz分别为介质三向热传导率;{q}为热流速度向量;{V}为热质量传输速度向量;t为时间。若令{V},q(—)为0,则式(4)简化为[8]:

定解条件为:

可见,式(5)与式(3)数学表达形式一样,只是对应参数选取及表示的意义有所不同。因此,可以用ANSYS软件提供的热传导分析部分的有限元方法来求解渗流问题。

2 算例分析

某引洪闸的水闸设计剖面如图1,透水地基为无限深,上游水位为30.0m,下游水位为25.3m,板桩深7.5m。运用改进阻力系数法和有限单元计算计算闸基二维渗流。

图1 某引洪闸设计剖面

2.1 改进阻力系数法计算闸基二维渗流

根据改进阻力系数法计算闸基渗流的基本原理,利用FORTRAN 90编制电算程序,其程序设计流程框图见图2,计算得到各个分段的水头损失。

图2 改进阻力系数法计算闸基渗流电算流程图

2.2 有限单元法计算闸基二维渗流

(1)模型建立。整体坐标系以水闸底板上游末端为坐标原点,x 方向以顺水流向指向下游为正,y方向以垂直水流铅直向上为正。采用四节点平面单元PLANE42对模型进行网格剖分,共生成单元1 014个,节点1 085个,数值计算模型见图3。

图3 水闸二维渗流分析有限元模型

(2)材料参数。图1中,水闸各个部位的材料参数取值见表1。

表1 材料参数列表

(3)边界条件。

(4)数值计算。定义模型的边界条件,计算得到水闸闸基的渗流压力等值线分布图见图4。

图4 水闸的渗流压力等值线分布图

2.3 比较分析

(1)闸基轮廓线上部分点水头值比较。运用改进阻力系数法和ANSYS数值方法计算水闸的渗流,得到水闸地基轮廓线上部分点的渗流水头值见表2。

表2 地基轮廓线上部分点的渗流水头值

(2)闸基渗透压力比较。

PZ =50.977kN/m

PY =50.232kN/m

(3)出口渗透坡降比较。

3 结论

改进阻力系数法和ANSYS数值计算方法计算地质情况简单的水闸二维渗流,通过比较得到以下几点结论。

(1)根据计算结果,比较了闸基轮廓线上部分点水头值、闸基渗透压力、出口渗透坡降,说明ANSYS数值计算得到的结果与改进阻力系数法计算得到的结果比较接近,ANSYS用于渗流场的计算是可行的。

(2)水闸地基轮廓线HI水平段,运用改进阻力系数法计算得到H点的水头值大于I点的水头值的结果,在上下游水头作用下,闸基形成稳定的渗流后,水头值必将逐渐减小,出现下游水头值大于上游水头值是不合理的。用数值方法计算得到的结果更可靠。

(3)出口渗透坡降,数值方法计算得到的结果大于改进阻力系数法计算得到的结果,偏于安全。

(4)运用数值方法进行计算,从渗流域有限元网络中可以看出,它将研究对象划分成更小的对象,计算结果会更加合理,而且有限元法可以计算出渗流场内任一点的渗压水头和渗透坡降,而阻力系数法只能得出地下轮廓线上各点的渗压水头及每段地下轮廓线的平均渗透坡降。

参考文献:

[1] 张世儒,高逸士,夏维城.水闸[M].北京:水利出版社,1980:103-112.

[2] 杜延龄,许国安.渗流分析的有限元和电网络法[M].北京:水利电力出版社,1991:167-168.

[3] 水闸设计[M].北京:水利电力出版社,1986:110-120.

[4] 毛昶熙,周保中.闸坝地基渗流计算的改进阻力系数法[J].水利学报,1980,(5).

[5] 毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京:水利电力出版社,1988.

[6] 嘉木工作室编.ANSYS57.0有限元实例分析教程[M].北京:机械工业出版社,2002.

[7] 刘涛,杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社,2002:348-349.

[8] 张洪剂.热传导[M].北京:高等教育出版社,1992:150-197.

作者简介:顾小芳(1981-),女,工程师,从事水利规划及结构设计。

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