Seep(渗流计算)-V3.0使用手册.doc

二00四年一月1渗流基本理论1.1水工渗流的危害及渗流分析计算的任务流体在多孔介质中的运动称为渗流。水是最为常见的流体，水利水电工程中由于广泛建造堤、坝、围堰、水闸等挡水建筑物形成了水头差，这些建筑物或其地基通常是透水的多孔介质，因此水工渗流现象十分普遍。水工渗流造成多方面的危害。渗流造成水库、渠道水量损失；渗流使堤坝、围堰土体饱和，降低坝体的有效容重和抗剪强度，可能导致坝坡失稳；建筑物地基渗流对建筑物底部产生扬压力，也不利于建筑物的稳定；渗流流速过大时，还可能造成坝体或建筑物地基的土体颗粒流失，发生渗透变形，从而使堤坝崩塌或建筑物滑移、倾覆；水库渗流还可能引起下游地下水位升高，导致农田冷浸渍害、盐碱化，使作物减产；拦污坝渗流造成地下水环境污染。水工渗流分析计算的任务就是要研究水在渗流区域的渗流流速、流量、水头分布及浸润线等，从而为采取合理的渗流控制措施提供依据，以避免或减缓渗流危害。1.2达西定律19世纪50年代，法国工程师亨利达西（H.Darcy）通过对装在圆筒中的均质砂土进行渗透试验发现，通过两个渗流断面间的平均渗流流速，正比于两断面间的水头差h，反比于渗径长度L，且与土粒结构及流体性质有关。这就是著名的达西定律，可用公式表达为： (1.2.1)式中h测压管水头，z为位置高度，p为压强，为水的容重。因为渗流的流速一般很小，流速水头可忽略，故。k反映土粒结构及流体性质的系数，即渗透系数，对于某一具体的流体（比如水）而言，k值仅与土粒结构有关。J渗透坡降，。式中的负号“-”表示水总是流向水头减小的方向。应当注意，达西定律中的流速是全断面上的平均流速v，而不是土体孔隙中的流速，这两种流速存在以下关系： (1.2.2)式中n为体积孔隙率，可见达西流速小于土体孔隙中的流速。还应注意，达西定律只能适用于层流状态的渗流运动。在水利工程中，除了堆石坝、堆石排水体等大孔隙介质中的渗流为 流之外，绝大多数渗流都属于层流，达西定律都可适用。对于非层流渗流，其流动规律可用以下公式形式表达: （1.2.3）上式中当m=1时，为层流渗流；当m=2时，为完全紊流渗流；当1m2时，为层流到紊流的过渡区。将式（1.2.1）等号两边向x、y、z轴投影，便得到空间直角坐标系中的达西公式： （1.2.4）1.2.3渗流运动连续性方程图1.2.1 微元体进出流量示意从渗流场中取某一微分单元体（如图1.2.1），其体积，流入左侧面的水体质量的速率为，流出右侧面的水体质量的速率为，则左右面进出流量之差为同样，对于前后面和上下面作流进流出的流入量计算，最后累加各净有流入量，得到微元体内总得流入量为将上式展开为式中后一项与前一项相比，小得可以忽略，故改写成 （1.2.5）上式即为水体质量在微元体内积累的速率，根据质量守恒原理，它应等于微元体内水体质量M随时间的变化速率： （1.2.6）式中，n为土体的孔隙率，为水的密度，V为微元体的体积。式（1.2.6）右边三项分别代表土体骨架、孔隙体积及流体密度的改变速率。引入弹性压缩理论，可导出（1.2.6）式中得等价表达为： （1.2.7）式（1.2.7）中 土颗粒骨架的压缩性（即压缩模量） 水的压缩性 h渗流测压管水头（m），根据质量守恒原理，式（1.2.5）与式（1.2.7）相等，则得到 （1.2.8）假定水和土不可压缩时，上式变为： （1.2.9）式（1.2.9）为不可压缩流体在刚体介质中流动的连续性方程。1.2.4渗流微分方程将达西公式代入渗流连续性方程（1.2.8）可得： （1.2.10）式（1.2.10）为非稳定渗流微分方程的一般形式，既适合于承压含水层，也适合于无压渗流。式中称为单位储存量（尺度为1/L），其含义是：单位体积得饱和土体在水头下降1m时，由于土体压缩（）和水体膨胀（）所释放出来得储存水量。当介质为均质各向同性（即）时，式（1.2.10）变为 （1.2.11）当假定水和土为不可压缩时，式（1.2.10）、（1.2.11）分别变成 （1.2.12） （1.2.13）式（1.2.12）、（1.2.13）分别为各向异性、各向同性时的三维稳定渗流微分方程。对于堤坝渗流及建筑物地基渗流，在许多情况下可简化为垂直剖面上的二维渗流问题，则式（1.2.12）、（1.2.13）可变成 （1.2.14） (1.2.15)1.2.5有自由面变动的渗流微分方程对于土坝（或堤防）在水库（或河道）水位下降时的非稳定渗流情况，自由面下降引起的土体压缩或弹性释放水量与自由面下降时所排出的水量相比很小，故可令式（1.2.10）中的，因此，有自由面的三维非稳定渗流微分方程为 （1.2.16）其二维非稳定渗流微分方程为 （1.2.17）上面二式虽然在形式上与稳定渗流方程式（1.2.12）、（1.2.14）完全相同，但结合自由面变动的边界条件所得到的水头分布是空间座标与时间的函数，而不象稳定渗流方程式的解答，只是空间座标的函数。1.2.6水工渗流问题的定解条件发生在有限空间流场内的渗流运动，不仅受渗流微分方程支配，也受流场边界条件和初始渗流状态条件支配。下面以土坝非稳定渗流状态介绍水工渗流定解条件的几种类型。图1.2.2 土坝非稳定渗流定解条件初始条件： （仅对非稳定渗流） （1.2.18）边界条件： 水头边界 （1.2.19）在图1.2.2中，水头边界包括：上游已知水头边界：下游已知水头边界：下游坡渗出段已知水头边界：流量边界： (1.2.20)在图1.2.2中，自由面AD下降时，由自由面流进的单宽流量为： （A）式中 自由面的法线与铅直线的夹角给水度，即单位体积土体在饱和含水情况下，当自由面下降1m后排出的空隙水量，又称土体的排水空隙率或有效空隙率。又因 （B） 由式（A）、（B），自由面流量边界条件改写成： （C） 当坝体土各向异性时，取值。 因渗流自由面与大气相通，压力水头为零，故在自由面上还应满足：。2 SEEP V3.0的功能和特色（1）适用于各种工况（如水位固定或上游水位快降）、复杂边界（包括各种防渗、排水设施）和复杂土层条件下的：堤防、土石坝渗流计算；各类不透水材料坝（如混凝土坝和浆砌石坝）、水闸、泵房的地基渗流计算。（2）采用有限元法计算，可得到渗流量、浸润线、等水头线等计算结果。（3）采用可视化界面建立原始数据文件,也可在记事本中建立原始数据文件。（4）计算成果既可打印成表格，也可自动绘制出浸润线、等水头线图。3 SEEP V3.0 解题要点3.1坐标系的选取及计算范围的确定如图3.1.1所示，水平坐标x取向右为正，竖直坐标与当地高程体系一致。对于上游入渗段长度L1及下游渗出段长度L2，一般取0.51倍的水头（或取实测值）。图3.1.13.2单元剖分a) 单元自动剖分的分组、分块与结点编号根据渗流场的几何形状、土层分布等，将整个渗流场划分为一些四边形的子域，如图3.2.1所示。这些子域称为块，为使结点优化并满足自由面调整迭代的需要，将所划分的块又分成若干组，每组内由若干块组成。具体规定：每组内各块首尾相接，上下贯穿整个渗流场：每组内的块由上而下逐块编号，且从左到右一组一组地进行，但块的结点标号是任意的（建议按照从左到右，从上到下的顺序）。图3.2.1中由结点3，7，11，12，15连成的折线为事先假定的浸润线。 图3.2.1b) 四条边剖分点布置本软件进行渗流有限元计算的基本微小单元为三角形单元，为此还需将上述四边形块单元剖分为三角形单元。如图3.2.2所示，从渗流场中取出任意一块，图中n1，n2，n3，n4分别表示相应边上剖分点数（剖分点数决定三角形单元的数目或大小），且按顺时针方向编号，n1与n3、n2与n4分别为两组对边，两对边上的剖分点数可相等，也可不相等，但为避免出错，最好使各对边的点数相等或相差小一些。剖分点的疏密应按水力条件来确定，在下列部位的剖分单元应加密：水力坡降大的部位、坝轴线附近、截水槽及上游铺盖进水处，下游出口及排水沟附近。此外，剖分点数的拟定还必须满足以下三点： 三角形单元总数； ；浸润线变动范围内 图3.2.2c) 剖分顺序剖分顺序依次为：划分块单元、分组并编组号、编块号并核对块单元的结点数、编结点号、在各块边上布置剖分点数。同一块内的渗透系数必须相同，但同一渗透系数土层可划分为若干块。每个块都必须是四边形块。在渗流区域边界上有时不可避免地出现三角形块，此时在该块的边界边上任取一点作为结点，这样一来，三角形块可以看成是蜕化的四边形块。4 SEEP V3.0的操作步骤与文件内容介绍4.1 DQB文件的产生详细的操作步骤如下：第一步：运行CCED.EXE文件，弹出工程及视图相关参数界面(如图4.1.1)：图4.1.1 工程及视图参数界面工程相关参数：(1) 填入“分块组数”和“土层种类数”；(2) 等势线间距有5%和10%两个数可供选择，分别表示在渗流场分布图中相邻两条等势线之间的水头势能相差5%和10%；(3) 渗流情况：如果计算非稳定渗流，需要填写水位降落经历的时间、初始水位和降后水位；如果计算稳定渗流，需要选择是否计算渗流量。视图相关参数：(1) “最大坐标”和“最小坐标”：是您在绘图过程中所能输入的最大最小坐标值，为了方便绘图，建议将断面的最大X、Y坐标值分别加上30，将断面的最小X、Y坐标值分别减去30后输入；(2) “1m=( )P”表示绘图时一米长度所显示的象素个数，如果图形中有比较短的线条，可填入较大值，比如10；如果图形中线条都较长，建议采用默认值4；(3) “点的选取半径” 默认为3个像素，设置大些可以更好地捕捉点，但过大会影响线条的选取，建议采用默认值；“字体大小”一般默认为10。第二步：单击“工程及视图参数界面”中的确定按钮，进入图形绘制界面(如图4.1.2)：图4.1.2 图形绘制界面默认状态下进行图形绘制：(1) 图形绘制：在右下角“Line From”的后面直接输入节点坐标并按回车键； (2) 如果节点坐标有错误，可以点击进行修改；(3)点击，用左键选中线条，再单击右键可以删除线条切换到状态进行单元剖分：(1) 节点编号：按编号顺序直接点击该节点，如果不能选中该节点，可以点击加大“点的选取半径”；(2) 剖分控制：先选中块的四条边（如果不能选中该边，可以点击减小“点的选取半径”，或者将图形放大），然后点击进行剖分填写，最后按块的编号顺序进行其它块的剖分。数据填写和文件保存：(1) 填写土层渗透系数：点击输入每层土的水平和垂直渗透系数Kx、Ky（cm/s），注意：每输入一层土的渗透系数，都要点击确定按钮进行数据保存；(2) 剖分块信息修改：如果剖分信息有错误，点击进行修改（先选中Reg下某一块的编号，再单击修改按钮）；(3) 设置相关参数：点击打开相关参数设置对话框，检查“分组数”、“等势线百分数间距”和“渗流情况”是否正确，注意：当计算工况为稳定渗流且计算渗流量的时，需填写“渗流断面穿过的块号”；(4) 保存dqb.dat文件：点击弹出dqb文件保存对话框，选择保存路径后点击保存(S)按钮，注意：计算时文件名必须为dqb.dat；(5) 生成断面轮廓图：如果需要断面轮廓图，直接在图中点击鼠标左键选中所有要保存的轮廓线后，点击弹出保存对话框，填入文件名并保存。4.2 运行计算点击按钮，弹出计算操作界面(如图4.2)：图4.2 计算操作界面(1) 点击查看DQB按钮，检查产生的DQB文件是否正确(可以参考说明书中4.3 DQB .DAT文件的内容和格式)；(2) 点击剖分单元按钮,生成渗流计算需要的原始数据文件GDAT和剖分图NET0.BLN；(3) 点击显示剖分图按钮,进行单元剖分同时生成网格图NET.BLN；(4) 点击编辑数据按钮,打开计算原始数据文件GDAT，注意：在该文件末尾另起一行输入0并保存；(5) 点击计算按钮, 生成结果文件SEEPOUT和渗流场图形文件GSBLN；(6) 点击等势线图启动SURFER，绘制渗流场分布图：a、单击MAP菜单中的LOAD BASE MAP 出现 IMPORT FILE视窗，双击BOUNDBLN，单击OK，随即出现土坝横断面图；b、单击MAP菜单中的LOAD BASE MAP 出现 IMPORT FILE视窗，双击GSBLN，单击OK，随即出现渗流场图形；c、将土坝横断面图与渗流场图形进行叠加：用鼠标将渗流场图形拖至堤防横断面图，用鼠标同时框选堤防横断面图和单个渗流场图形，单击MAP出现MAP菜单，单击MAP菜单中的OVERLAY MAPS即完成图形叠加；d、进行文字编辑、坐标轴设定等，最终得到完美的渗流场分布图。(7) 若想查看计算结果SEEPOUT则点击计算报告按钮。 4.3 DQB.DAT文件的内容和格式产生的数据文件DQB.DAT内容格式如下:第一行：SEEP1, SEEP2, SEEP3第二行：ZU，KUAI，DIAN，BIAN，TUCENG，SLDM，SLK，SD，BFS第三行：KXX（1：KUAI，1：9）第四行：ZB（1：DIAN，1：2）第五行：SLCS（1：TUCENG，1：3）第六行：BJXX（1：BIAN，1：3）第七行：SLKH（1：SLK）第八行：SLDMXX（1：SLDM，1：3）第九行：SJSW（1：2，1：2）数据说明：（1）SEEP 1判别是否保存渗流绘图数据，Y为肯定，N为否定。SEEP 2判别是否自动剖分数据，Y为肯定，N为否定。SEEP 3设定为N。（2）ZU分块组数（计算区域内剖分的块依次从左到右分为若干组，同一组间应为上下关系，即第I块的下边（n3）与第I+1块的上边（n1）应为同一边，每组内由上而下顺序编号）；KUAI四边形块的数目；DIAN块角点数；BIAN含各类已知边界的边数；TUCENG不同渗透系数的土层种类数；SLDM需要计算渗流量的渗流断面个数，如果是零表示不计算渗流量；SLK需要计算渗流量的断面所穿过的总计块数，如果是零表示不计算渗流量；SD计算非稳定渗流时水库水位降落的时段数，如果是零表示计算稳定渗流；BFS计算等势线的百分数间距值，默认为10。（3）KXX(1:ME,1:9)块信息数组每块9个分量，按块号从小到大顺序填写。第14分量表示块从左上角起按顺时针方向的四个角点点号；第58分量依次表示块从上边起按顺时针方向4条边的剖分点数；第9分量为块的渗透系数区号。（4）ZB（1：DIAN，1：2）块的结点坐标数组按块结点序号顺序表示每一结点的X，Y坐标。（5）SLCS（1：TUCENG，1：3）依次为每层土的水平渗透系数Kx（单位：cm/s），垂直渗透系数Ky（单位：cm/s），给水度,（该式中渗透系数k的单位为：m/day）。（6）BJXX(1:BN,1:3) 已知边界信息数组每条已知边界有三个分量,第一分量为边界边所在块的块号；第二分量为该边界边在块中的边序号；第三分量为边的边界类型号，规定为：1渗流自由面边界（斜、心墙坝仅为上部自由面）3半有压流边界5斜、心墙坝下游坝壳自由面边界6均质土坝下游坝坡或排水体渗出段边界7上游已知水头边界8下游已知水头边界9斜、心墙土坝斜墙心墙后坡渗出段边界（7）SLKH（1：SLK）需计算渗流量的过流断面上的块号。（8）SLDMXX（1：SLDM，1：3）渗流断面的块单元信息第一分量为某过流断面所经过的块数；第二分量为该过流断面与块边界相交的信息，水工渗流计算一般为1；第三分量为该过流断面在块中位置的节点链序号，一般为1或2。（9）SJSW（1：2，1：2）起降时间（天）、水位；降后时间（天）、水位。4.4 G.DAT数据内容本软件可将四边形块单元自动剖分为三角形单元，同时由DQB.DAT 自动产生G.DAT,G.DAT是本软件进行渗流计算的原始数据文件，其数据内容格式如下:第一行：SEEP1，SEEP2，SEEP3第二行：NE，NN，NNU，NND，NNM1，NNM2，NNF，TUCENG，AA，AA1，AA2，BB1，BB，BB2，NNP，NQ，SD，NW，NG，NNM3，LU，LD，MA第三行：Hmax，H1，H2，H3，EPS，EPS1，DT，YAA，XAA。第十四行：SW（1：SD）第十五行：SJJG（1：SD）第十六行：SLCS（1：TUCENG，1：3）第十七行：QTE(1：NQ)第十八行：QEN(1：QE)解释：（1）SEEP1，SEEP2，SEEP3同DQB.DAT （2）NE三角形单元总数。（3）Hmax上游最高水位H1上游水位 H2下游水位H3井水位EPS自由面迭代允许误差(0.10.001)EPS1井附近迭代允许误差(0.50.005)DT水位变化总历时（单位：天）。（14）SW（1：SD）各时段末上游水位。（15）SJJG（1：SD）各时段时间间隔天数（16）SLCS（1：TUCENG，1：3）依次填写每层土的水平渗透系数Kx（单位：m/day）；垂直渗透系数Ky（单位：m/day）；给水度,（式中k为渗透系数,单位：m/day）。（17）QTE(1：NQ)计算渗流量断面的单元总数（18）QEN(1：QE)计算渗流量断面的所有单元号。5 算例例一 均质土坝稳定渗流计算某均质土坝横断面尺寸、上下游水位及渗透系数如图5.1所示，要求计算稳定渗流场及单位坝长的渗漏流量。图5.1 均质坝横断面解题步骤如下：(1) 运行CCED.EXE文件，弹出工程及视图相关参数界面，在“分块组数”中填入5，在“土层种类数” 中填入2，选择“稳定渗流”，并选择“计算渗流量”；(2) 单击视图相关参数，“最大坐标”中X填写170，Y填写100，“最小坐标”中X填写-30，Y填写10，其它的按照默认值；(3) 单击确定按钮，进入图形绘制界面，参考“4.1 DQB文件的产生”中具体的操作步骤建立均质坝横断面剖分图(如图5.2)；图5.2均质坝横断面剖分图(4) 保存dqb.dat文件，内容如下：Y Y N5 8 16 7 2 1 2 0 101 4 5 2 3 2 3 2 13 6 7 4 2 3 4 4 24 7 8 5 4 2 4 2 16 9 10 7 4 4 4 3 27 10 11 8 4 2 4 2 19 12 13 10 8 4 8 4 210 13 14 11 8 2 8 2 113 15 16 14 4 2 4 2 10.000 45.0000.000 40.00040.000 55.00010.000 45.00010.000 40.00042.000 55.00042.000 45.00042.000 40.00067.000 65.00067.000 45.00067.000 40.000121.000 48.000118.000 45.000118.000 40.000140.000 45.000140.000 40.0000.000002000 0.000002000 0.0471573350.000010000 0.000010000 0.0593474561 1 72 4 72 1 74 1 76 1 16 2 88 1 86 72 1 2(5) 点击图形绘制界面中的按钮，弹出计算操作界面： a、 点击查看DQB按钮，检查产生的DQB文件是否正确(可以参考说明书中4.3 DQB.DAT文件的内容和格式)；b、 点击剖分单元按钮,生成渗流计算需要的原始数据文件GDAT和剖分图NET0.BLN；c、 点击显示剖分图按钮,进行剖分同时生成网格图NET.BLN；d、 点击编辑数据按钮,打开计算原始数据文件GDAT，注意：在该文件末尾另起一行输入0并保存；e、 点击计算按钮, 生成结果文件SEEPOUT和渗流场图形文件GSBLN；f、 点击等势线图启动SURFER，察看渗流场分布图：选择MAP菜单中的LOAD BASE MAP 出现 IMPORT FILE视窗，双击BOUNDBLN，单击OK，随即出现土坝横断面图；选择MAP菜单中的LOAD BASE MAP 出现 IMPORT FILE视窗，双击GSBLN，单击OK，随即出现渗流场图形；将土坝横断面图与渗流场图形进行叠加：用鼠标将渗流场图形拖至堤防横断面图，同时框选堤防横断面图和单个渗流场图形，选择MAP菜单中的OVERLAY MAPS即完成图形叠加；进行文字编辑、坐标轴设定等，最终得到完美的渗流场分布图（如图5.3）。图5.3均质坝渗流场分布图打开计算报告（SEEPOUT），得到单位坝长的日渗漏流量QQ1=0.0313（m3/day/m）。例二 堤防非稳定渗流计算堤防、堤基横断面尺寸及渗透系数如图5.4所示，下游水位为31.0m,河水位由38.0m 经4.5天降至 36.0m，又经 3.5天降至 34.0m。要求计算河水位降落过程中的堤防渗流场。图5.4 堤防横断面解题步骤可以参考例一，建立堤防横断面剖分图（如图5.5）:图5.5 堤防横断面剖分图产生本问题的DQBDAT文件内容如下：Y Y N3 5 12 7 2 0 0 2 101 5 6 2 4 5 4 5 23 7 8 4 13 3 13 3 14 8 9 5 13 3 15 3 15 9 10 6 15 5 15 5 29 11 12 10 4 5 4 5 20.000 30.0000.000 20.00030.000 38.00020.000 34.00010.000 30.00010.000 20.00053.000 33.50058.000 31.00060.000 30.00060.000 20.00070.000 30.00070.000 20.0000.000010000 0.000010000 0.0593474560.000002000 0.000002000 0.0471573351 1 73 4 72 4 72 1 12 2 63 2 85 1 80 38.000 8.000 34.000注意：GS.BLN中包含了初始水位38.0、下降瞬时水位36.0、下降瞬时水位34.0共3个水位时的渗流场绘图数据，故应将GS.BLN文件拆分成3个绘图数据文件GS1.BLN、GS2.BLN、GS3.BLN。分别将GS1.BLN、GS2.BLN、GS3.BLN与堤