堤坝饱和—非饱和渗流场数值模拟及稳定性分析

论文摘要

渗流问题是土坝、堤防等工程领域的一个重要课题,特别是对于渗流自由面的问题,渗流自由面位置事先未知,自由面边界也是未知的,自由面和逸出面的存在使得渗流场的求解复杂化。本文在饱和-非饱和渗流理论的基础上,对饱和-非饱和渗流微分方程进行了变形,推导出了以饱和度和测压管水头为变量的渗流微分方程,利用饱和度的分布自动捕捉浸润线,避免了容水度和单位贮存量函数的使用。该模型能够求解饱和非饱和渗流的恒定与非恒定问题,为渗流研究提供一个了有力的工具和新的研究方向。本文首先对渗流程序进行了详细的介绍,包括方程的推导、求解及计算过程等,并对程序的改进部分进行了说明,说明了本程序的优越性。通过解析解及实验算例,对程序加以验证,并通过稳定、非稳定渗流分析,研究了初始条件、渗透系数、模型选取、水位变化等对堤坝渗流过程的影响。介绍了边坡稳定分析理论,采用极限平衡方法对渗流作用下的边坡进行稳定分析,并加以算例说明。最后将饱和—非饱和渗流模型用于工程实例,其二维模拟结果同渗流电模拟实验结果进行了对比,证明本文的渗流模型完全能够准确计算坝内的渗流浸润线以及逸出面位置,为堤坝的工程设计提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 渗流分析现状及动态
• 1.2.1 渗流计算的发展
• 1.2.2 渗流分析的方法
• 1.2.3 非饱和渗流分析的现状及研究动态
• 1.3 边坡稳定分析综述
• 1.4 本章小结
• 2 饱和-非饱和渗流基本方程及定解条件
• 2.1 饱和-非饱和渗流基本理论
• 2.1.1 非饱和渗流基本理论
• 2.1.2 基本概念
• 2.1.3 达西定律
• 2.1.4 有自由面渗流计算方法
• 2.2 渗流基本方程
• 2.2.1 微分方程的推导
• 2.2.2 定解条件
• 2.3 渗透系数的确定
• 2.4 有限元基本原理
• 2.4.1 有限元的解题步骤
• 2.4.2 Galerkin加权余量法
• 2.5 有限元格式推导
• 2.6 有限元方程的求解
• 2.6.1 Gauss-Seidel迭代法
• 2.6.2 共轭梯度法
• 2.7 本章小结
• 3 饱和-非饱和渗流的程序实现
• 3.1 流程图及程序说明
• 3.1.1 流程图
• 3.1.2 程序说明
• 3.2 编制程序的几个问题
• 3.2.1 时间步长的选取
• 3.2.2 渗流自由面的确定
• 3.2.3 逸出面的处理
• 3.3 程序的改进
• 3.3.1 改进前程序
• 3.3.2 算例
• 3.4 本章小结
• 4 渗流算例
• 4.1 稳定渗流分析
• 4.2 非稳定渗流分析
• 4.2.1 解析解验证
• 4.2.2 实验解验证
• 4.2.3 非稳定渗流影响因素分析
• 4.3 本章小结
• 5 渗流作用下的边坡稳定分析
• 5.1 边坡稳定分析概述
• 5.2 边坡稳定计算
• 5.2.1 边坡稳定计算方法
• 5.2.2 稳定计算的极限平衡法
• 5.3 最危险滑动面搜索
• 5.3.1 最危险滑动面
• 5.3.2 用枚举法搜索最危险滑动面
• 5.4 稳定算例
• 5.5 本章小结
• 6 工程实例
• 6.1 工程简介
• 6.2 渗流分析
• 6.2.1 渗透系数的确定
• 6.2.2 渗流计算工况
• 6.2.3 计算结果与分析
• 6.3 稳定分析
• 6.3.1 坝体材料的力学指标
• 6.3.2 稳定计算结果
• 6.4 结论与建议
• 结论
• 1 本文结论
• 2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢