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岩土工程学报 2018年第4期40卷 612-617页

作者：侯兴民孙伟建烟台大学土木工程学院

渗流对坝体稳定有重要影响,溢出点位置的确定是求解渗流场的关键问题之一。目前求解渗流溢出点的方法以有限元数值计算为主,通过比较假定溢出点水头值与位置高程的大小确定溢出点位置,这类方法具有迭代次数多,不易收敛的缺点。为此提出... 详细信息

渗流对坝体稳定有重要影响,溢出点位置的确定是求解渗流场的关键问题之一。目前求解渗流溢出点的方法以有限元数值计算为主,通过比较假定溢出点水头值与位置高程的大小确定溢出点位置,这类方法具有迭代次数多,不易收敛的缺点。为此提出了一种基于全域总势能计算渗流溢出点位置的新方法：计算出每个可能溢出点对应的全域总势能,其最小值所对应的位置即为溢出点位置。但是全域总势能包含了自由面以上区域（虚域）的势能,给计算结果带来了误差。在全域总势能的基础上,提出了实域总势能的概念,将自由面通过的单元分为干区和湿区两部分,并将干区及其以上单元中的虚域势能从全域总势能中扣除,以消除因计入虚域势能而产生的误差,进一步提高了计算精度。

关键词：全域总势能实域总势能溢出点渗流自由面

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基于实域总势能计算渗流溢出点的位置

基于实域总势能计算渗流溢出点的位置

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作者：孙伟建烟台大学

学位级别：硕士

渗流自由面问题的研究已成为岩土工程方向一个重要的研究课题。渗流计算的主要任务是计算渗流场的渗流量、水头、水力坡降等渗流要素,从而为稳定性分析及选取合理的渗控设计方案提供依据。渗流自由面的确定是求解渗流场的关键,而溢出点... 详细信息

渗流自由面问题的研究已成为岩土工程方向一个重要的研究课题。渗流计算的主要任务是计算渗流场的渗流量、水头、水力坡降等渗流要素,从而为稳定性分析及选取合理的渗控设计方案提供依据。渗流自由面的确定是求解渗流场的关键,而溢出点位置的确定是精确计算渗流自由面的前提。基于有限单元法提出了一种确定二维稳定渗流场溢出点位置和计算渗流自由面的方法,研究成果包括:(1)采用以往有限元法计算渗流溢出点时,全域总势能法求解精度高且无需同自由面迭代。但是全域总势能包含了自由面以上区域的势能,给计算结果带来了误差。本文在全域总势能的基础上,提出了实域总势能的概念,将虚域势能从全域总势能中剔除,消除了因虚域势能造成的误差,提高了渗流溢出点的计算精度。工程实例计算结果表明,基于实域总势能求解溢出点具有更高的精度和稳定性。(2)基于实域总势能最小原理,对自由面以上的虚域单元做不同处理:调整虚域单元的渗透系数或在有限元计算时将虚域单元丢弃,以及对实域总势能最小值计算方式的不同,提出了变渗透系数调节点法、变渗透系数曲线拟合法、丢单元调节点法、丢单元曲线拟合法四种确定溢出点位置的方法。分别采用四种方法计算工程实例,丢单元调节点法有较高的计算精度。(3)求解渗流自由面常采用虚单元法,但是该法需不断调整通过自由面的单元,迭代效率慢且易造成单元畸形。本文对有限元法求解的自由面节点水头做曲线拟合,无需调整单元,即可得到高精度的渗流自由面曲线。应用本文方法求解实际工程算例表明,该方法精度高,稳定性好,效率高,与实际自由面形状更吻合。

关键词：渗流自由面渗流溢出点实域总势能曲线拟合法

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基于能量损失率最小原理求解降落曲线

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作者：刘宜盈烟台大学

学位级别：硕士

地下水水位的下降对地面沉降有着重要的影响:一方面水位下降会改变影响半径范围内土体的应力状态;另一方面水头压力的改变会使影响半径范围内的渗流域产生渗透压力。降落曲线可以直观地反应降水后基坑周围水位的变化,精确地求出降落曲... 详细信息

地下水水位的下降对地面沉降有着重要的影响:一方面水位下降会改变影响半径范围内土体的应力状态;另一方面水头压力的改变会使影响半径范围内的渗流域产生渗透压力。降落曲线可以直观地反应降水后基坑周围水位的变化,精确地求出降落曲线的位置是分析地面沉降的基础。目前国内外学者对降落曲线的求解一般是基于Dupuit稳定井流基本方程和Theis基本方程。根据Theis方程求解降落曲线的主要方法包括直线图解法、配线法以及解析法。针对图解法和配线法求解较为复杂且人为误差较大以及Dupuit稳定井流基本方程对水跃现象影响因素考虑不足的缺点,本文基于有限单元法提出了两种求解潜水含水层降落曲线的方法,主要研究成果包括:(1)基于能量损失率最小原理求解降落曲线。在均质潜水含水层内建立降水降落曲线的计算模型:基坑降水达到控制水位后,可视为一个已知上游水位(降水前地下水水位)、下游水位(降水后降水井中的水位)以及逸出边界(水跃区段)的稳定渗流场。在该稳定渗流场中真实降落曲线会使整个渗流域内的能量损失率最小,对该渗流域进行有限单元划分,基于能量损失率最小原理推导了求解降落曲线的有限单元计算方法,将求解降落曲线的问题转化为求解渗流域能量损失率最小值的问题。(2)基于实域总势能最小原理求解降落曲线。降水达到控制点水位时,利用实域总势能最小原理求解出地下水入井水位点(渗流逸出点,井壁逸出点和井中水位之间的高度为水跃区段)。筛选出被降落曲线穿割的过渡单元,运用三角形单元相似对过渡单元进行求解,可直接得到各单元与降落曲线的交点,连接各点即可得到降落曲线。(3)对上述两种方法分别编写了求解降落曲线的Fortran语言计算程序,并将这两套程序应用到实际案例的求解,所得到的计算结果与裘布依公式理论计算的结果、工程实测值进行对比,表明本文所提方法的计算精度更高。

关键词：均质含水层降落曲线实域总势能能量损失率最小原理

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基于势能极小原理计算基坑降水影响半径

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作者：厉立兵烟台大学

学位级别：硕士

在基坑工程中,基坑降水方案设计是地下水控制的关键环节,影响半径是降水方案中计算总涌水量的重要参数,目前工程上通常采用经验公式和图解法估算影响半径。经验公式将渗透系数和降水井水位降深作为确定影响半径的主要因素,对水跃现象等... 详细信息

在基坑工程中,基坑降水方案设计是地下水控制的关键环节,影响半径是降水方案中计算总涌水量的重要参数,目前工程上通常采用经验公式和图解法估算影响半径。经验公式将渗透系数和降水井水位降深作为确定影响半径的主要因素,对水跃现象等影响因素考虑不足;图解法存在测量及绘图误差,对计算结果影响较大。本文基于有限单元法提出了求解潜水含水层影响半径的两种数值计算方法,其物理意义明晰,计算精度高。主要研究成果包括:(1)建立了潜水含水层渗流场影响半径的计算模型。当井壁水位到控制水位时,将潜水层原始稳定水位作为上游水头,降水井水位作为下游水头,控制水位与降水井水位之间的出渗段(水跃区段)作为逸出边界,影响半径作为渗流场的水平尺寸,求解影响半径简化成已知上、下游水头及逸出边界,求解稳定渗流场计算模型水平尺寸的问题。(2)提出了基于实域总势能极小原理和能量损失率极小原理计算潜水含水层影响半径的有限单元法,并编制了Fortran语言计算程序。计算过程中,将误差限值?e取为+5%,即所求影响半径计算结果总是偏小,从而使基坑涌水量计算结果总是偏大。(3)将上述两种计算方法中的每一种算法应用于两个实际基坑工程案例中,并与现场抽水试验结果及经验公式解进行对比。本文算法算得的影响半径分别为66.4m、104.17m、75m、48m,现场抽水试验获得影响半径分别为63.1m、103m、74.8m、45.5m,相对误差分别为5.2%、1.1%、0.3%、5.2%;经验公式算出的影响半径分别为89.4m、171.67m、110.1m、68.6m,与现场抽水试验结果的相对误差分别为41.7%、66.7%、47.2%、50.7%。结果表明本文提出的两种算法计算精度高于经验公式解,更接近现场抽水试验结果。本文研究成果可提高基坑涌水量计算精度,使基坑降水设计方案更合理,具有潜在的工程应用价值。

关键词：基坑降水设计影响半径实域总势能能量损失率极小原理

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