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非均质土石坝稳定—非稳定渗流有限元分析

付成华  
【摘要】:随着计算机的普及,数值计算方法在解决实际复杂问题中的地位显得愈来愈重要,已经广泛应用于工程分析的各个领域。其中,对于渗流计算领域,有限元法以其对复杂边界、各向异性、非均匀性和三维渗流等问题的强大适应能力而受到广泛的重视。目前,水利水电工程中与渗流相关的问题很多,土石坝因具有造价低、结构简单、对自然条件的适应性强、抗震性能好、工作可靠、寿命长、施工管理简便等优点而被广泛采用。在土石坝中,因渗流引起的滑坡、渗透破坏尤为严重,合理、正确地对土石坝进行渗流分析是必不可少的。 本文在总结前人研究成果的基础上,建立了渗流分析模型,编制了相应的计算程序,对土石坝稳定-非稳定渗流有限元理论和算法进行了系统的研究。论文的主要内容包括: (1) 收集整理了渗流有限元已有成果,在渗流理论和有限元理论的基础上,对求解无压渗流自由面的几种常用方法进行了评价。采用固定网格初流量法求解稳定渗流渗流场,对已有稳定渗流有限元分析程序进行了改进和补充,通过算例验证该方法的可行性,在此基础上分析了武汉市长江支流干堤的某断面的渗流情况,验证了该方法的实用性。 (2) 分析研究了稳定渗流自由面位置的确定方法以及渗透坡降、流速等相关物理量的计算方法。编制了生成AutoCAD绘图命令文件的Fortran程序,形成可由AutoCAD自动执行的绘图命令文件,实现了浸润线、等势线、流线等图形的自动绘制。 (3) 根据有限单元法基本原理,编制了库水位变化引起的非稳定渗流有限元分析程序,并对程序编制中的几个重要问题进行了说明。通过算例验证了程序的可行性和正确性,结合湖南云溪土石坝和三板溪崩塌滑坡体进行了渗流稳定性实例分析,对库水位骤降情况下坝坡的稳定性问题进行了探讨。 (4) 采用有限元法分析了库水位下降过程中渗流参数变化时坝体自由面的变化规律,建立了渗流参数和坝体浸润线变化之间的内在联系,对库水位下降时均质土石坝非稳定渗流坝体浸润线的计算进行了简化分析,得出了一些有价值的结论。 最后本文对渗流有限元作了综合评价,提出了该课题研究发展的方向,包括:三维饱和非饱和渗流问题,排水孔的模拟问题,库水位变化时坝坡稳定性分析问题,上下游水位变化、和坡角变化对坝体浸润线下降速度的影响等。


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