平原水库增容扩建技术土坝渗流分析研究

论文摘要

近海平原地区是我国经济最发达的地区之一,然而该地区水资源十分紧缺,这严重制约了国民经济的发展。在该地区兴建的现有平原水库标高不高、库盘大、蓄水浅、占地多、渗漏量大、经济效益低,因此对现有平原水库增容扩建势在必行。平原水库大多建造在软土地基上,坝轴线较长,距离村庄比较近,渗透破坏危害性巨大,渗流分析与防渗措施是平原水库增容扩建的核心关键问题。本文首先介绍了渗流基本理论和控制方程,对利用有限单元方法计算土石坝稳定渗流场进行了研究和分析,并阐述利用体积加权法计算稳定渗流场的原理和步骤。在对比渗流方程和热方程的相似性的基础上,得出可以利用ANSYS热模块计算分析坝体渗流问题的结论。然后在随机理论的基础上介绍了土石坝渗透系数随机反演算的方法与步骤,利用ANSYS程序中的优化设计模块以及对程序中参数设计语言APDL进行二次开发,编制了土石坝稳定渗流分析程序以及渗透参数反演程序,在ANSYS中实现了土石坝稳定渗流场的有限元分析。本文在随机理论的基础上,获取了天津尔王庄水库现状坝体与坝基各土层渗透参数的对数正态分布规律,利用编制的ANSYS土石坝渗透参数反演算程序,得出贴近实际的现状各地层渗透参数,并以此为依据利用编制的ANSYS稳定渗流分析程序确定高喷防渗板墙在透水层的深度,同时对尔王庄水库立扩增容方案中的两种加高方案的渗流场进行了分析,确定高喷防渗板墙全封闭透水层与上游坝坡铺设复合土工膜的联合防渗措施,稳定渗流结果表明,两种加高方案在防渗措施下均能满足稳定渗流要求。本文对尔王庄水库增容扩建工程稳定渗流分析子课题的研究具有重要工程意义,能达到对尔王庄水库除险加固、增容扩建、节省大量土地与水资源的目的,将产生巨大的经济效益和社会效益,有重要的工程参考价值,能进一步推动对平原水库增容扩建技术的探索。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的背景
• 1.1.1 平原水库增容扩建必要性
• 1.1.2 平原水库增容扩建渗流分析重要性
• 1.2 平原水库防渗技术的发展和应用
• 1.3 土石围坝渗流分析现状
• 1.3.1 国外发展状况
• 1.3.2 国内发展状况
• 1.4 渗流参数反演的现状和存在问题
• 1.5 渗透系数空间变异性分析现状
• 1.6 土石围坝渗流分析的任务与内容
• 1.6.1 渗流分析的任务
• 1.6.2 渗流分析的主要内容
• 1.7 本论文研究的主要内容
• 第二章 渗流有限元分析的基本理论及方法
• 2.1 多孔介质渗流的基本理论
• 2.1.1 渗流的基本概念
• 2.1.2 渗流的运动方程
• 2.1.3 渗流的连续性方程
• 2.1.4 稳定—非稳定渗流的基本微分方程
• 2.1.5 渗流的定解条件
• 2.2 渗流计算方法及有限元法概述
• 2.3 有限元法计算原理及步骤
• 2.3.1 渗流的支配方程与边界条件
• 2.3.2 渗流场的离散
• 2.3.3 有限元计算公式
• 2.3.4 总体渗透矩阵合成
• 2.4 渗流自由面求解具体方法
• 2.4.1 变动网格法
• 2.4.2 固定网格法
• 2.5 渗透系数随机反演分析方法
• 2.5.1 参数随机反演法概述
• 2.5.2 渗透参数反演优化模型
• 2.5.3 渗透参数反演结果评估方法
• 第三章 基于ANSYS的土石坝渗流分析及渗透系数反演算
• 3.1 ANSYS软件简介
• 3.2 ANSYS的稳态热分析功能计算渗流原理
• 3.2.1 ANSYS的热分析功能简介
• 3.2.2 ANSYS的热力学分析方法与步骤
• 3.2.3 ANSYS热分析功能计算土石坝稳定渗流的理论基础
• 3.3 ANSYS热分析功能计算渗流自由面
• 3.3.1 ANSYS生死单元功能
• 3.3.2 利用ANSYS的生死单元求解渗流自由面
• 3.3.3 利用体积加权法求解渗流自由面
• 3.4 ANSYS热分析功能计算渗流出渗点及相关物理量
• 3.4.1 渗出点的ANSYS确定方法
• 3.4.2 渗流量的计算
• 3.4.3 渗透比降的计算
• 3.5 渗透参数反演在ANSYS中的实现
• 3.5.1 ANSYS优化设计的基本原理
• 3.5.2 ANSYS优化设计的基本内容
• 3.5.3 ANSYS优化设计的步骤
• 第四章 天津尔王庄水库工程概况及地质试验成果分析
• 4.1 工程概况
• 4.2 工程水文地质分析
• 4.2.1 气象水文
• 4.2.2 各土层的渗透性
• 4.3 工程现状
• 4.3.1 坝体质量
• 4.3.2 主要工程问题
• 第五章 天津尔王庄水库现状渗透参数反演
• 5.1 反演计算模型的建立
• 5.1.1 计算范围选取
• 5.1.2 边界条件选取
• 5.1.3 计算网格划分
• 5.2 随机渗流参数反演优化模型的建立
• 5.2.1 随机渗透系数选取
• 5.2.2 目标函数建立
• 5.3 反演算计算结果与分析
• 第六章 天津尔王庄水库增容渗流分析
• 6.1 渗流控制方案
• 6.1.1 复合土工膜防渗方案
• 6.1.2 高喷防渗板墙防渗方案
• 6.2 水库增容有限元渗流分析技术路线
• 6.3 综合防渗措施效果评价
• 6.3.1 计算范围选取
• 6.3.2 渗透系数选取
• 6.3.3 边界条件选取
• 6.3.4 网格划分
• 6.3.5 计算成果分析
• 6.4 围坝坝高15m渗流分析
• 6.4.1 渗流计算模型建立
• 6.4.2 渗流计算成果分析
• 6.5 围坝坝高25m渗流分析
• 6.5.1 渗流计算模型建立
• 6.5.2 渗流计算成果分析
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表