[發明專利]一種基于等勢面的地下水滲流量計算方法

有效

• 申請號: 201110006443.8
• 申請日: 2011-01-13
• 公開（公告）號: CN102063577A
• 公開（公告）日: 2011-05-18
• 發明（設計）人: 李斌;景來紅;宋海亭;宋志宇
• 申請（專利權）人: 黃河勘測規劃設計有限公司
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 鄭州聯科專利事務所(普通合伙) 41104
• 代理人: 時立新

技術領域

本發明屬于水利工程地下水控制技術領域，涉及地下水滲流工程數值模擬技術，尤其是涉及一種利用有限元求解地下水滲流量的計算方法。

背景技術

滲流是一種地下水運動，當建筑物及其地基內存在水位差時，地下水將從水位高的地方向水位低的地方產生流動，形成滲流。滲流是一門與水力學和巖土力學有著密切關系的學科，隨著近代科學技術的不斷發展，滲流在基本理論、試驗手段、計算方法和應用等方面都得到了極大發展，逐漸成為一門專門的學科，已能解決各種復雜的工程問題。各種復雜情況下的土石壩滲流，都可以在計算機上模擬出來。實踐證明，利用有限元法求解均質或非均質、各向異性或各向同性以及復雜邊界條件的土石壩滲流問題，雖然得到的解是近似的，然而卻是滿意的解答，對于土石壩滲流問題，已基本上可取代模擬試驗。

滲流計算中最重要的內容之一就是分析和預測滲流量，滲流量計算的準確性和精度對于滲流問題的分析往往是至關重要的，特別是對大壩防滲系統的布置、防滲效果評價、壩后排水設施的分布與設置以及排水井的排水效果等具有重要的參考價值。例如，在土石壩病險的診斷中，需要根據滲流量、滲透水透明度和水質觀測資料及巡查結果，結合滲透比降，判別有無管涌、流土、接觸沖刷、接觸流失等滲透變形現象。

對滲流量計算目前主要采用中斷面法和等效結點流量法。

中斷面法的主要原理是，在求得滲流場水頭函數H的有限單元法數值解后，對于任意單元（如8節點等參單元），選擇其一對面之間4條棱的中點構成的截面(中斷面)作為過流斷面；在二維問題中是以中線作為過流斷面的。有限單元法求得的水頭函數數值解精度較高，一般能滿足工程應用的要求。中斷面法計算原理簡單且很容易通過程序實現。但是，由于水頭函數數值解為數值離散解，并且，實際選用的過流斷面為各個單元的中斷面，因此當計算區域材料分區和地質條件復雜時，單元形狀很不規則，其中斷面也是極不規則的扭曲面，所計算出的滲流量的準確性大大降低，有時并不能滿足工程應用的要求。如圖1所示，圖中弧形實線為自由面4，虛線表示中面法的三個過水斷面：剖面1、2、3，因為剖分網格的問題，只有剖面3是正常的有效過水斷面，剖面1和2都沒有覆蓋整個滲流區域，因而不可能計算準確。

等效結點流量法將任一過流斷面上的滲流量表示成相關單元的傳導系數與相應結點水頭的乘積的代數和。它避免了對水頭離散解的進一步求導運算，所求得的滲流量計算精度與水頭解的計算精度同階。但是缺點是滲流量缺乏明確的物理意義，過水斷面的選擇不太容易，所得到的斷面滲流量為前后單元所謂等效結點流量的代數和，計算時需要將前后單元的貢獻分開計算，否則計算結果為0。而將前后單元的貢獻分開計算需要給定條件或人工干涉，工作量大且容易出錯。如圖2中所示，圖中實線表示自由面4，虛線所包圍的結點構成該過水斷面，在計算該斷面流量時，如果簡單的將所有相關單元的傳導系數與相應結點水頭的相乘，則代數和為0，因此必須將左右兩側的單元分開單獨計算才可以。

有學者在滲流有限元數值計算的基礎上，研究計算任意斷面滲流量的方法，以解決復雜滲流場中滲流量的計算問題（相關文獻：祁書文，《基于有限元法的復雜三維滲流場滲流量計算方法研究》，河海大學碩士論文，2007.5）。

如圖3所示，該方法在三維滲流場中取相互靠近的兩個平面5、6并進行剖分，求出兩個面5、6相鄰單元形心處的水頭，然后由兩個面之間的距離為L，計算出通過該流管的滲透流量。該方法需要假定兩平面形心距離L，需要將計算斷面重新剖分，需要用到迭代法求解截面單元的形心在整體區域內所經過單元的單元坐標系中的局部坐標，計算時間較長，從理論上來說假定的平面形心距離L也影響流量的計算精度。

發明內容

本發明的目的是提供一種計算滲流區域滲流量的便利計算方法，從而提高計算精度，簡化用戶操作過程，避免了復雜滲流場中某一流量斷面既有正向流動又有反向流動時所帶來的流量計算誤差。

本發明的技術方案是：?

一種基于等勢面的地下水滲流量計算方法，?

計算步驟如下：?

（1.1）求解滲流場。用常規的有限元法求解滲流場，求出各單元結點水頭值；

（1.2）確定等勢面的水頭值；指定所要確定的等勢面的水頭值h0；等水頭結點構成等勢面；

（1.3）對于滲流場的任意一個單元或第ie個單元，做以下工作：

（1.3.1）判斷各結點水頭值與h0的關系；

各結點水頭值與h0之間的差值有以下四種情況：

①該單元上的所有結點的水頭值都大于h0；

②該單元上的所有結點的水頭值都小于h0；