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水利工程论文-碾压混凝土坝渗流场分析的缝面渗流平面单元模拟法.doc

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水利工程论文-碾压混凝土坝渗流场分析的缝面渗流平面单元模拟法.doc

水利工程论文-碾压混凝土坝渗流场分析的缝面渗流平面单元模拟法摘要:针对碾压混凝土坝成层施工的结构特点及其渗流特性,笔者在非均质各向异性等效连续体模型的基础上,提出可精细而又方便地模拟大坝中层面、缝面和裂缝等渗流行为的缝面渗流平面单元模型。在没有增加计算网格结点的前提下,不但能高效率地刻画出层面和缝面所带来的坝体强渗透各向异性的特点,而且又能极容易地对那些局部零星分布的有强集中渗透能力的冷缝和裂缝等缝隙进行逐个细致地模拟,坝体的渗流实际情况在数值模型中得到了甚为客观的展现,提高了大坝渗流场的计算分析精度,基本上完整地解决了碾压混凝土坝的渗流建模问题。最后,较详细地进行了一个高102m的大坝的算例分析。关键词:碾压混凝土坝渗流层面缝面裂缝缝面渗流平面单元在碾压混凝土成层结构中,混凝土本体为弱透水介质,而层面和缝面为相对强透水结构面,通常可对碾压混凝土坝体用水力等效连续体模型和非连续体裂隙模型进行渗流特性建模[1~4],其中对冷缝面或裂缝采用空间薄层单元进行模拟。由于正常的施工层面和缝面的间距相对于大坝的特征尺寸很小,相对简单的已有成熟的理论基础和丰富运用经验的等效连续体模型已得到了广泛的推广应用,但这种模型中存在的很大的弱点是对上述那些单个地出现的冷缝面和裂缝有时不能进行很好地模拟,薄层单元的引入在一定程度上不但扩大了解题的规模,而且还会影响解题的精度。笔者针对这个问题和碾压混凝土坝中存在的局部集中渗漏现象较普遍的事实,提出无厚度缝面平面单元,用来专门模拟坝体中的冷缝面和裂缝等集中渗流通道,并融入等效连续体模型中,从而达到既整体又突出局部地刻画和模拟碾压混凝土坝的渗流行为和高精度地进行渗流场的计算分析。可在没有增加网格结点的前提下,能高效率地反映出碾压混凝土坝中正常施工层面和缝面的渗流影响,而且又能对那些具有强透水性零星分布的冷缝面或结构性裂缝的渗流行为进行单独细致的模拟。1基本理论1.1渗流基本理论非均质各向异性多孔隙连续体介质中的稳定饱和渗流连续微分控制方程为(1)式中:xi为坐标,i=1,2,3;kij为达西渗透系数张量,刻画坝体的渗透各向异性程度;h=x3+p/γ为总水头,x3为位置水头,p/γ为压力水头。边界条件为(2)式中:h1为已知水头函数;ni为渗流边界面外法线方向余弦;i=1,2,3;Γ1、Γ2、Γ3和Γ4分别为第一类和第二类渗流边界,以及渗流自由面和

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