基于ANSYS的土石坝渗流与稳定分析研究

论文摘要

建国以来,我国修建了大量的水利水电工程,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。在众多的土石坝失事事故中,因渗流引起的滑坡、渗透破坏尤为严重,所以合理、正确地渗流场分析与边坡稳定分析是保证土石坝安全运行的关键。本文以大型通用有限元分析软件ANSYS为平台,选用饱和—非饱和渗流数学模型进行了非稳定渗流场有限元数值模拟,分析了一般逸出面求解方法所存在的的问题,并对其加以改进;使用ANSYS自带的二次开发工具—APDL语言,开发出渗流计算命令流程序,通过与赤井浩一沙槽模型所得实验结果对比,模拟结果与试验结果相吻合,验证了程序的正确性;考虑渗流对边坡稳定的影响,编制了使用强度折减有限元法的边坡稳定弹塑性有限元分析程序;利用ANSYS UIDL语言将渗流分析程序、边坡稳定计算程序界面化,在ANSYS软件中形成新的渗流分析模块与边坡稳定分析模块,为一般工程人员操作使用带来了方便;使用此程序,对土石坝进行库水位回落及降雨条件下渗流场非稳定饱和—非饱和有限元分析,在得到渗流场基础上考虑基质吸力对非饱和土强度影响、土体容重随含水量变化的关系及渗透力作用,利用强度折减有限元技术求解边坡稳定安全系数,研究了库水位下降速度、雨强、渗透系数等参数对土石坝渗流场的影响及此时渗流对边坡稳定性的影响。本文的研究成果及方法不仅可以应用于土石坝渗流场及边坡稳定计算,为土石坝的设计运行、除险加固提供参考,也可以应用到其它坝型、基坑降水等相关工程中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 渗流国内外研究现状
• 1.3 边坡稳定国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 1.5 本文技术路线与创新之处
• 2 渗流理论及其有限元解法
• 2.1 多孔介质渗流基本理论
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 达西定律
• 2.1.3 连续性方程
• 2.2 降雨入渗理论
• 2.3 非饱和土的渗流特性
• 2.3.1 非饱和渗透系数
• 2.3.2 土壤水分特征曲线
• 2.4 渗流计算的数学模型
• 2.4.1 渗流基本微分方程
• 2.4.2 定解条件
• 2.5 渗流场有限元解法
• 2.5.1 有限元法插值函数
• 2.5.2 有限元法实施步骤
• 2.6 小结
• 3 边坡稳定的弹塑性有限元法
• 3.1 土体强度本构关系
• 3.1.1 破坏准则和屈服准则
• 3.1.2 硬化规律
• 3.1.3 流动法则
• 3.1.4 弹塑性矩阵（沈珠江，2000）
• 3.2 非饱和土抗剪强度理论
• 3.3 强度折减有限元法
• 3.3.1 强度折减有限元与传统极限平衡法的比较
• 3.3.2 抗剪强度折减法原理
• 3.3.3 考虑非稳定渗流作用的强度折减有限元方法
• 3.3.4 有限元中边坡破坏的判据
• 3.4 小结
• 4 基于ANSYS 二次开发的渗流与边坡稳定分析程序
• 4.1 ANSYS 软件及其二次开发语言APDL 简介
• 4.1.1 ANSYS 软件简介
• 4.1.2 ANSYS 软件二次开发语言APDL 简介（博奕创作室，2005）
• 4.2 温度场与渗流场的相似性分析
• 4.2.1 二维非饱和渗流的基本微分方程
• 4.2.2 二维热传导的基本微分方程
• 4.2.3 参数对比
• 4.2.4 定解条件对比
• 4.3 逸出面边界的确定
• 4.3.1 逸出面边界确定的两种方法（贾苍琴，2006）
• 4.3.2 逸出面求解方法改进
• 4.4 降雨入渗边界条件的处理
• 4.5 非稳定渗流计算程序
• 4.5.1 时间步长的自动选择
• 4.5.2 渗流参数的确定
• 4.5.3 渗流有限元加速迭代技术
• 4.5.4 程序循环结构
• 4.6 非稳定渗流作用下边坡稳定分析程序
• 4.7 程序界面化
• 4.7.1 用户界面设计步骤
• 4.7.2 土石坝非稳定渗流—边坡稳定程序界面设计
• 4.8 小结
• 5 算例分析
• 5.1 渗流分析程序验证
• 5.2 库水位下降条件下的渗流与边坡稳定分析研究
• 5.2.1 概况
• 5.2.2 计算结果
• 5.2.3 结果分析
• 5.3 降雨条件下渗流与边坡稳定分析研究
• 5.3.1 概况
• 5.3.2 计算结果
• 5.3.3 结果分析
• 5.4 小结
• 6 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文情况