GeoSims-更新1-水闸渗流模型

在水闸的运行过程中渗透破坏是水闸出现结构问题的主要原因之一。根据现行《水闸安全评价导则》的要求水闸的渗流安全也是进行水闸整体安全评定的关键因素之一。目前对运行期水闸的渗透安全评价主要通过布设渗压监测设施并对监测数据进行统计、分析以此检验判定水闸正常运行的安全情况。这种方式依赖真实可靠的实测数据若监测仪器布设不足或者损坏可能导致评价结果不全面同时因为缺乏机理性分析仅能判断是否点位数据异常无法深入揭示渗透破坏的内在机理。通过长期积累的观测资料对不同服役期的水闸进行基床渗透系数的反演。依据反演得到的参数和实时监测的上下游水位边界条件进行动态的渗流模拟可以确定渗流场的中关键位置(水平段、出口段)的水力梯度以判断土体渗透稳定性确定渗透流速、流量和渗透力及时发现异常现象及时进行预警预报。本文将以某平原区水闸为例介绍渗流参数反演和渗流实时模拟技术。1.渗流基本方程1渗流场连续性方程根据质量守恒原理即某一单元体的进出流量速率的差值与该单元体内水的增减速率相等在地下水位以下渗流场中任意取一无限小的平行六面体单元令其长、宽、高分别为dx、dy、dz并且分别平行于x轴、y轴、z轴则在单位时间内无限小平行六面体单元的净出水量ΔQ可表示如下式中vx、vy、vz分别表示x、y、z方向的渗透流速分量ρw表示水的密度。假设地下水具有不可压缩性则平行六面体单元在单位时间内的流入量和流出量相同的情况下不可压缩性液体的连续性方程可表示如下2稳定渗流微分方程达西定律是针对均质、各向同性介质提出的而土体呈现出明显的各向异性若将达西定律借鉴到土体介质中则须用渗透系数张量来体现土体的渗透性对于三维空间问题达西定律可表示如下式中V表示渗透流速张量vx、vy、vz分别表示x、y、z方向的渗透流速分量h表示总水头。当x、y、z为主渗透方向时有KxyKyx0KxzKzx0KzyKyz0。则上式可表示如下式中kx、ky、kz为渗透系数张量主对角线上的三个分量有kxKxxkyKyykzKzz。基于能量守恒原理可得下式若岩土体为均质、各向同性介质在任意方向的渗透系数都相同则可转化为如下的拉普拉斯方程即每一流动过程都是在限定的空间场内发生的沿着这些流场边界起支配作用的条件被叫做边界条件。开始时流场内的整个流动状态或流动支配条件被叫做初始条件。边界条件和初始条件统称为定解条件。求解渗流场时除了建立水头满足的偏微分方程外还须建立定解条件。求解稳定渗流方程时只须考虑边界条件求解非稳定渗流方程时须要同时考虑边界条件和初始条件。本文将以闸前后水位作为稳定渗流场的定解条件计算稳定渗流的压力水头场和渗流速度场。程序流程图如下图所示图1 稳定渗流场的计算流程图2.工程概况本水闸闸身为钢筋混凝土结构分两联共5孔3孔、2孔各为一联。单孔净宽8m空口总净宽40m。闸室长10m底板厚1m。按照《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL 252-2017中相关规定水闸永久性水工建筑物的主要建筑物包括闸室、铺盖、消力池、对应段翼墙及护坡等为3级建筑物次要建筑物包括海漫、防冲槽、上下游连接段及对应段护坡等为4级建筑物。3.闸基渗流参数反演分析为减少两岸地下水位对测量数据的影响并考虑数据的完整性、可信性。选择闸室段的一组测点5#、7#、11#作为反演研究对象。计算域沿河床向上游延申20m向下游延申至距离消力池底板20m。包括上游水平铺盖段也在计算域内向下取至地基承压含水层顶面-2.0m。距离闸底板建基面20m。整个计算域范围近似为长X宽110mX20m的长方形区域。下图为该计算域计算模型的单元网格图采用平面8节点4边形单元结构化网格。通过粒子群优化算法将一定参数范围内的模拟结果与实测结果的误差作为目标函数进行多次迭代计算每次迭代将根据优化算法更新模型中的渗流参数直至目标函数收敛到最优解。图2 反演分析模型计算网格图4.闸基渗流实时模拟分析根据反演得到的渗流参数以实际观测的上下游水位参数作为输入进行渗流模拟如下图所示。图3 显示样式控制和计算输入控制亦可根据保存的工况从服务器端拉取数据对实时的模拟结果也可以持久化保存在服务器端。图4 存档的历史工况在提交计算后服务器端将实时的回传后台计算进度如下图所示。图5 实时计算过程展示1图6 实时计算过程展示2在计算完成后可以进行矢量和标量的变量着色以及鼠标探针查询如下图所示。图7 渗流总水头图8 渗流流速除了可以根据鼠标移动位置进行变量查询外也可根据单元编号节点编号进行变量查询单元编号、节点编号显示如下图所示。图9 单元编号图10 节点编号5.结语综上所述本文通过理论方程推导、工程实例分析系统展示了渗流参数反演与实时模拟技术在水闸渗流安全评价中的应用路径。对于提升水闸渗流安全预警的精准性与时效性为水利工程安全运行筑牢防线具有重要意义。对于更一般的非稳定渗流计算方法特别是针对于土石堤坝的自由水面计算库水位骤降计算我们将在后面的内容中进行详细的介绍。