中小型土石坝渗流的数值模拟及其应用研究

论文摘要

土石坝是我国水利工程中应用最为广泛的建筑物之一,它具有造价低、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。在我国,许多中小型土石坝建于五六十年代,在当时经济、技术条件匮乏的情况下,很多都是边勘察、边设计、边施工的工程,这些土坝经过几十年的运行,因渗流引起的渗透破坏、滑坡尤为严重。所以合理、正确地对土石坝进行渗流分析是必不可少的。本文正是基于以上原因展开对土坝渗流分析。本文介绍了渗流的基本理论方程和控制方程,对比渗流方程和热方程的相似性,根据基本方程及定解条件的比较分析,将ANSYS软件的温度场分析功能应用于渗流场的分析。利用APDL语言编写了二维稳定渗流的程序,利用生死单元技术通过迭代法计算自由水面位置(浸润线),解决了复杂边界、多种介质的土石坝稳定渗流的求解问题。通过算例验证了程序的正确性,将所编程序运用于对甘肃省古浪县十八里堡水库大坝稳定渗流分析,绘制出了渗流浸润线。用有限元法分析边坡稳定性,能够对坡体内的应力分布、应变及变形分布、塑性区分布等规律较为准确地量化表征,还可以得出滑动面的大致位置和安全系数。本文根据有限元程序计算得到的应力场来计算各点的安全系数,利用ANSYS强大的后处理功能绘出安全系数云图。本文的研究工作在改进和完善计算渗流自由面方法方面进行了有益的尝试。用ANSYS温度场来分析渗流问题具有方便、快捷的优点,同时可信度高,是一种有发展前景的计算方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 渗流理论研究发展概况
• 1.2.1 国外发展概况
• 1.2.2 国内发展概况
• 1.3 土石坝中渗流分析的任务与内容
• 1.3.1 土石坝中渗流分析的任务
• 1.3.2 土石坝中渗流计算的内容
• 1.4 本文选题的意义
• 1.5 本文的主要工作
• 1.6 本章小结
• 第2章 基于有限元法的土石坝渗流分析的理论基础
• 2.1 渗流分析的理论基础
• 2.1.1 渗流的基本定律——达西定律
• 2.1.2 渗流基本方程式
• 2.1.3 定解条件
• 2.2 渗流分析方法综述
• 2.3 有限元法分析渗流问题的步骤
• 2.4 有限元法分析渗流问题的推导
• 2.4.1 单元剖分与插值函数
• 2.4.2 有限元法分析渗流问题的计算公式的推导
• 2.5 渗流自由面的有限元求解方法及评述
• 2.5.1 变动网格法
• 2.5.2 固定网格法
• 2.6 本章小结
• 第3章 利用ANSYS的热分析功能进行土石坝二维稳定渗流的数值模拟
• 3.1 有限元软件ANSYS简介
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 ANSYS的主要技术特点
• 3.1.3 ANSYS软件的分析过程
• 3.1.4 APDL语言简介
• 3.2 ANSYS的稳态热分析简介
• 3.2.1 ANSYS的稳态热分析的基础理论
• 3.2.2 ANSYS的稳态热分析的分析步骤
• 3.3 渗流场与温度场的理论相似性比较
• 3.3.1 理论基础的相似性比较
• 3.3.2 微分方程的相似性比较
• 3.3.3 初始条件与边界条件的相似性比较
• 3.4 基于ANSYS的浸润线、渗流量的求解
• 3.4.1 生死单元简介
• 3.4.2 用ANSYS的生死单元进行土石坝浸润线求解计算
• 3.4.3 逸出点的计算
• 3.4.4 渗流量的计算
• 3.5 本章小节
• 第4章 工程应用
• 4.1 典型非饱和土体土石坝二维稳定渗流分析
• 4.1.1 算例概况
• 4.1.2 边界条件的选取
• 4.1.3 划分网格
• 4.1.4 计算结果分析
• 4.2 甘肃省古浪县十八里堡水库土石坝渗流数值模拟
• 4.2.1 概况
• 4.2.2 计算结果分析
• 4.3 本章小节
• 第5章 土石坝安全系数求解
• 5.1 边坡稳定性分析方法综述
• 5.1.1 定性分析法
• 5.1.2 定量分析方法
• 5.1.3 用ANSYS做边坡稳定分析的优点
• 5.2 用ANSYS求解土石坝安全系数的方法
• 5.2.1 求解方法
• 5.2.2 具体步骤
• 5.3 十八里堡水库大坝安全系数求解结果及分析
• 5.4 本章小节
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录