CN108765573B - 一种水电站地下厂房排水孔幕的模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开水电站地下厂房排水孔幕的模拟方法，首先建好地层实体之后确定排水孔幕外轮廓实体，将排水孔简化为线实体，通过布尔运算在排水孔幕外轮廓实体和地层实体表面留下排水孔痕迹，划分网格时可在排水孔痕迹上得到计算节点；随后根据不同要求对排水孔节点施加边界条件；该方法能准确的模拟三维模型中排水孔幕对水电站地下厂房区域渗流场的影响，并且操作简单，节省计算时间。
Description
技术领域
本发明属于水力发电工程地下厂房安全技术领域，具体涉及一种水电站地下厂房排水孔幕的模拟方法。
背景技术
随着我国社会经济的高速发展，以水电为主的高效清洁能源需要进一步开发。为了提高发电水头，大部分发电厂房位于地下。为了保证发电机组的正常运行，需要确保施工期及运行期厂房发电机层位于地下水面线以上。而没有采取防渗排水措施时，往往整个厂房区域都位于原始地下水面线以下，并且水库蓄水之后地下水面线还会进一步升高。目前针对地下厂房最有效的排水措施是在厂房四周和顶部布设一定尺寸和间距的排水孔形成排水孔幕，地下水渗入排水孔中并通过排水廊道集中收集，保证厂房关键部位处于干燥状态。地下水面线穿过排水孔幕时会降低，降低程度取决于排水孔的布设尺寸和间距以及排水孔幕距厂房的距离。
建立三维计算模型时排水孔尺寸一般为厘米量级，相对于整个模型而言小之又小，并且地下厂房四周排水孔数量众多，如何精确模拟排水孔幕是目前仿真计算的难点。目前模拟排水孔幕的方法主要有渗透特性等效模拟法、杂交元法、“以沟代井列”法、半解析法、“以管代孔”法、“以缝代井列”、复合单元法和排水子结构法等。除排水子结构法外，其余方法大都基于等效原理提出或对排水孔边界进行了简化，从而影响了解的严密性；排水子结构法可以按实际几何实体模拟排水孔，将排水孔孔壁作为计算边界，结合确定自由水面线的方法反映出排水孔幕对渗流场的影响。但当排水孔幕范围较大排水孔数量较多时，排水子结构法建模和计算过程将耗费大量的时间并且对计算机性能要求也很高。
发明内容
本发明的目的是提供一种水电站地下厂房排水孔幕的模拟方法，能够在确定自由水面线时使结果更加精确，同时能减小网格数量和节点数量，优化建模和计算时间。
本发明所采用的技术方案是，一种水电站地下厂房排水孔幕的模拟方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1、建立工程区地层实体，确定不同地层渗透系数和地下水位；
步骤2、在所述地层实体内建立相应位置和尺寸的地下厂房实体、排水孔幕外轮廓实体和排水孔实体；
步骤3、对所建立的地层实体、地下厂房实体、排水孔幕外轮廓实体和排水孔实体之间进行布尔运算，最终保留地层实体以及排水孔幕外轮廓实体；
步骤4、根据不同地层渗透系数对地层实体以及排水孔幕外轮廓实体进行分组，并对每组地层实体以及排水孔幕外轮廓实体划分网格；
步骤5、对划分网格后的地层实体以及排水孔幕外轮廓实体进行稳定渗流计算，最终得出地下水面线与厂房各部分的相对位置。
本发明的特点还在于，
步骤1中，所述地层实体是通过ADINA平台的“Parasolid”建模方式建立的三维“Body”实体。
步骤1中，所述地层实体自上而下分为覆盖层、强风化层、弱风化层及新鲜岩层。
所述覆盖层的厚度为100m，渗透系数为10-3m/s，所述强风化层的厚度50m，渗透系数为10-4m/s，所述弱风化层的厚度50m，渗透系数为10-5m/s，所述新鲜基岩的厚度为50m，渗透系数为10-5m/s。
步骤2中，所述地下厂房实体、排水孔幕外轮廓实体和排水孔实体均是通过ADINA平台的“Parasolid”建模方式建立的模型，且地下厂房实体和排水孔幕外轮廓实体为三维“Body”实体，排水孔实体为“Planar polygon”类型的“Sheet Body”线实体。
所述地下厂房实体、排水孔幕外轮廓实体和排水孔实体构建过程如下：
首先按照设计尺寸向ADINA平台中输入地下厂房坐标点信息，建好地下厂房实体；然后向ADINA平台中输入所有排水孔坐标点，建好排水孔幕外轮廓实体；最后以并排相邻的四个排水孔坐标点为基础点，依次建“Planarpolygon”类型的“Sheet Body”排水孔实体，且所述排水孔实体为“Sheet Body”线实体。
步骤3的具体过程如下：
步骤3.1、以地层实体和排水孔幕外轮廓实体分别为原始对象，地下厂房实体为被剪对象，进行布尔差集运算，保留运算痕迹，删除地下厂房实体；
步骤3.2、以排水孔幕外轮廓实体为原始对象，排水孔实体为被剪对象，进行布尔差集运算，保留运算痕迹，删除排水孔实体；
步骤3.3、以地层实体为原始对象，排水孔幕外轮廓实体为被剪对象，进行布尔差集运算，保留运算痕迹，保留排水孔幕外轮廓实体。
步骤4中，对每组所述地层实体以及排水孔幕外轮廓实体采用六面体形式划分网格。
步骤5的具体过程如下：
步骤5.1、设定排水孔边界条件，然后通过节点虚流量法得到总的云图结果；
步骤5.2、在总的云图结果中选取计算端面，调出总水头云图，将云图类型由“Solid Area Fills”改为“Line Contours”，得到总水头线，调整总水头线的线带宽度使云图只显示压力水头为零的结果，得到地下水面线，结合地下厂房实体最终得出地下水面线与厂房各部分的相对位置。
设定排水孔边界条件时，当无排水孔或排水孔失效时，排水孔各计算节点转换为模型内部节点，当排水孔工作时，排水孔边界为潜在逸出边界，即排水孔各节点水头为节点对应位置水头。
本发明的有益效果是，
一种水电站地下厂房排水孔幕模拟方法，在建模时将排水孔简化为线实体，与将排水孔幕等效化处理的方式相比，该方法能提供有效的计算边界，在确定自由水面线时使结果更加精确；与子结构法相比能减小网格数量和节点数量，优化建模和计算时间，并且操作简单。
附图说明
图1是本发明一种水电站地下厂房排水孔幕模拟方法中三维模型示意图；
图2是本发明一种水电站地下厂房排水孔幕模拟方法中地下厂房和排水孔幕示意图；
图3是本发明一种水电站地下厂房排水孔幕模拟方法中，无排水孔或排水孔全部失效时地下厂房上、下游剖面计算结果图；
图4是本发明一种水电站地下厂房排水孔幕模拟方法中，无排水孔或排水孔全部失效时地下厂房左、右岸剖面计算结果图；
图5是本发明一种水电站地下厂房排水孔幕模拟方法中，排水孔全部工作时地下厂房上、下游剖面计算结果图；
图6是本发明一种水电站地下厂房排水孔幕模拟方法中，排水孔全部工作时地下厂房左、右岸剖面计算结果图。
图中，1.地层实体，2.地下厂房实体3.排水孔幕外轮廓实体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种水电站地下厂房排水孔幕的模拟方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1、根据水文地质资料建立工程区地层实体1，确定不同地层渗透系数和地下水位；
地层实体1是通过ADINA平台的“Parasolid”建模方式建立的三维“Body”实体。
步骤1中，地层实体1自上而下分为覆盖层、强风化层、弱风化层及新鲜岩层。
ADINA作为一款有限元计算软件具有强大的前处理和后处理能力。ADINA自身有两种建模方式：“native”建模方式和“Parasolid”建模方式，两种方式都是以点成线，以线成面，以面成体的方式完成建模。“native”建模方式适用于规则四面体、五面体和六面体，“Parasolid”建模方式则可建出更为复杂的几何实体，并且可以通过布尔运算对所建实体形态进行控制。ADINA自身有多个模块，其中由于温度方程与渗流方程原理相同，因此渗流场求解可通过ADINA-T模块实现，渗流自由面可通过ADINA软件的生死单元技术可迭代确定。目前通过ADINA-T模块计算渗流场已得到了广泛的应用和认可。
如图1所示，本发明的模型中地层实体1上、下游距离为310m，左、右岸距离为300m，模型底高程为0m，顶高程为250m。上游地下水位为200m，下游地下水位为150m。假定地层自上而下分为覆盖层覆盖层、强风化层、弱风化层及新鲜岩层，其中，覆盖层的厚度为100m，渗透系数为10-3m/s，所述强风化层的厚度50m，渗透系数为10-4m/s，所述弱风化层的厚度50m，渗透系数为10-5m/s，所述新鲜基岩的厚度为50m，渗透系数为10-5m/s。
步骤2、根据工程资料在地层实体1内建立相应位置和尺寸的地下厂房实体2、排水孔幕外轮廓实体3和排水孔实体；
地下厂房实体2、排水孔幕外轮廓实体3和排水孔实体均是通过ADINA平台的“Parasolid”建模方式建立的实体，且地下厂房实体2和排水孔幕外轮廓实体3为三维“Body”实体，排水孔实体为“Planar polygon”类型的“SheetBody”线实体。
如图2所示，本发明假定地下厂房上、下游宽度为70m，距模型上、下游分别为120m；地下厂房左、右岸宽度为140m，距模型左、右岸分别为90m；地下厂房底高程为50m，顶高程为100m。排水孔分为厂房四周的竖直排水孔和地下厂房顶部的人字形排水孔，排水孔间距为10m，竖直排水孔幕距地下厂房边壁20m，人字形排水孔幕水平夹角为45°。
建模时首先按设计尺寸向ADINA平台中输入地下厂房坐标点信息，建好地下厂房实体2，建好的实体中地下厂房实体2位于弱风化层中，地下厂房高度与弱风化层厚度一致；随后输入所有排水孔坐标点，建好排水孔幕外轮廓实体3。本实例中排水孔幕外轮廓实体3既有一部分在强风化层中，也有一部分在弱风化层中，建体时要将排水孔幕外轮廓分为两部分建体，一部分位于强分化层中，一部分位于弱风化层中；最后以并排相邻的四个排水孔坐标点为基础点，依次建“Planar polygon”类型的“Sheet Body”排水孔实体，且排水孔实体为“Sheet Body”线实体。排水孔外轮廓实体中，竖直排水孔部位位于弱风化层中，地下厂房顶部的人字形排水孔位于强风化层中。
本发明所构建的模型包括四部分，分别为地层实体1，地下厂房实体2、排水孔幕外轮廓实体3及排水孔实体。
步骤3、对所建立的地层实体1、地下厂房实体2、排水孔幕外轮廓实体3和排水孔实体之间进行布尔运算，最终保留地层实体1以及排水孔幕外轮廓实体3；
步骤3的具体过程如下：
步骤3.1、以地层实体1和排水孔幕外轮廓实体3分别为原始对象，地下厂房实体2为被剪对象，进行布尔差集运算，保留运算痕迹，删除地下厂房实体2；此目的在于在模型中掏空出地下厂房部位，形成厂房内壁的计算边界。
步骤3.2、以排水孔幕外轮廓实体3为原始对象，排水孔实体为被剪对象，进行布尔差集运算，保留运算痕迹，删除排水孔实体；此目的在于在排水孔幕外轮廓实体3表面留有排水孔痕迹，随后在划分网格时在排水孔痕迹上得到排水孔计算节点；
步骤3.3、以地层实体1为原始对象，排水孔幕外轮廓实体3为被剪对象，进行布尔差集运算，保留运算痕迹，保留排水孔幕外轮廓实体3；此目的在于删除地层实体1和排水孔幕外轮廓实体3之间的重合部分，在地层实体1表面增加排水孔痕迹，保证网格的连续性。
步骤4、根据不同地层渗透系数对地层实体1以及排水孔幕外轮廓实体3进行分组，并对每组地层实体1以及排水孔幕外轮廓实体3划分网格；对排水孔幕外轮廓实体3划分网格时，要按其所处地层位置，纳入相应地层单元组进行划分。
本发明的实施例中地层实体1分为4层，相应的渗透系数也有4组，因此在剖分网格之前将渗透系数相同的实体分为1组，共分四组。
地层实体1正常剖分，因为每个地层的渗透系数是一样的；对排水孔外轮廓实体剖分网格时，将处于强风化层中的实体部分纳入强风化层的分组中剖分，将处于弱风化层中的实体部分纳入弱风化层的分组中划分网格，其网格形式和网格长度根据实际情况自由选择，本发明的实施例中，网格采用6面体形式剖分，网格长度为5m。
步骤5、对划分网格后的地层实体1以及排水孔幕外轮廓实体3进行稳定渗流计算，最终得出地下水面线与厂房各部分的相对位置。
具体过程如下：
步骤5.1、设定排水孔边界条件，然后通过节点虚流量法得到总的云图结果；
本发明的实施例中，假定计算模型上游侧面和下游侧面为定水头边界，即上游侧面水面线以下各节点水头为200m，下游侧面水面线以下各节点水头为150m，模型底部和左、右岸侧面边界为隔水边界，地下厂房内壁边界为潜在逸出边界，即各节点水头为节点对应位置水头。
其中，当无排水孔或排水孔失效时，排水孔各计算节点转换为模型内部节点，当排水孔工作时，排水孔边界为潜在逸出边界，即排水孔各节点水头为节点对应位置水头；
通过将ADINA软件内部温度方程转换系数就可得到渗流控制方程，在此基础上应用节点虚流量法通过计算即可得到总的云图结果。
步骤5.2、在总的云图结果中选取计算端面，调出总水头云图，将云图类型由“Solid Area Fills”改为“Line Contours”，得到总水头线，调整线带宽度使云图只显示压力水头为零的结果，得到地下水面线，结合地下厂房实体2最终得出地下水面线与厂房各部分的相对位置。
本发明的实施例中，选取地下厂房上、下游轴线和左、右岸轴线为计算断面。在结果文件中的“Definitions-Variable-Resultant”中定义压力水头为“Total head-Zcoordinate”即可得到压力水头云图，调出总水头云图，将云图类型由“Solid Area Fills”改为“Line Contours”，即可得到总水头线，调整总水头线的线带宽度使云图只显示压力水头为零的结果，即可得到地下水面线，结合地下厂房实体2最终得出地下水面线与厂房各部分的相对位置。
其中，无排水孔或排水孔全部失效时地下厂房上、下游断面计算结果，如图3所示，从图3中可看出断面位置地下厂房上游自由水面逸出点在地下厂房顶部，地下厂房下游自由水面逸出点在地下厂房顶部附近；无排水孔或排水孔全部失效时地下厂房左、右岸断面计算结果如图4所示；从图4可看出断面位置地下厂房左、右岸自由水面逸出点都在地下厂房顶部。这说明无排水孔或排水孔失效时地下厂房除过顶部的内壁都有地下水渗入，使得地下厂房的关键部位处于潮湿有水的状态。
排水孔工作时地下厂房上、下游断面计算结果如图5所示，从图5中可看出，与图3相比，有了排水孔之后上、下游水面线在地下厂房附近有所降低，总水头线也变得密集，水头线值也有所降低。并且地下厂房上、下游水面溢出点仅在厂房底部；排水孔工作时地下厂房左、右岸断面计算结果如图6所示，从图6中可以看出，与图4相比，左、右岸水面线整体降低，水面线在靠近地下厂房附近时降低幅度较大，总水头线也变得密集，水头线值也有所降低，并且地下厂房左、右水面溢出点仅在地下厂房底部，结果表明排水孔幕起到了很好的排水效果，与现有诸多计算结果一致，从而说明本发明一种水电站地下厂房排水孔幕模拟方法，在结合现有数学模型下能准确快速的模拟三维计算模型中的排水孔幕。
Claims (8)
1.一种水电站地下厂房排水孔幕的模拟方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：
步骤1、建立工程区地层实体，确定不同地层渗透系数和地下水位；
步骤2、在所述地层实体内建立相应位置和尺寸的地下厂房实体、排水孔幕外轮廓实体和排水孔实体，地下厂房实体、排水孔幕外轮廓实体和排水孔实体均为通过ADINA平台的“Parasolid”建模方式建立的模型，且地下厂房实体和排水孔幕外轮廓实体为三维“Body”实体，排水孔实体为“Planar polygon”类型的“Sheet Body”线实体，地下厂房实体、排水孔幕外轮廓实体和排水孔实体构建过程如下：
首先按照设计尺寸向ADINA平台中输入地下厂房坐标点信息，建好地下厂房实体；然后向ADINA平台中输入所有排水孔坐标点，建好排水孔幕外轮廓实体；最后以并排相邻的四个排水孔坐标点为基础点，依次建“Planar polygon”类型的“Sheet Body”排水孔实体，且所述排水孔实体为“Sheet Body”线实体；
步骤3、对所建立的地层实体、地下厂房实体、排水孔幕外轮廓实体和排水孔实体之间进行布尔运算，最终保留地层实体以及排水孔幕外轮廓实体；
步骤4、根据不同地层渗透系数对地层实体以及排水孔幕外轮廓实体进行分组，并对每组地层实体以及排水孔幕外轮廓实体划分网格；
步骤5、对划分网格后的地层实体以及排水孔幕外轮廓实体进行稳定渗流计算，最终得出地下水面线与厂房各部分的相对位置。
2.如权利要求1所述的一种水电站地下厂房排水孔幕的模拟方法，其特征在于，步骤1中，所述地层实体是通过ADINA平台的“Parasolid”建模方式建立的三维“Body”实体。
3.如权利要求1所述的一种水电站地下厂房排水孔幕的模拟方法，其特征在于，步骤1中，所述地层实体自上而下分为覆盖层、强风化层、弱风化层及新鲜岩层。
4.如权利要求3所述的一种水电站地下厂房排水孔幕的模拟方法，其特征在于，所述覆盖层的厚度为100m，渗透系数为10-3m/s，所述强风化层的厚度50m，渗透系数为10-4m/s，所述弱风化层的厚度50m，渗透系数为10-5m/s，所述新鲜基岩的厚度为50m，渗透系数为10-5m/s。
5.如权利要求1所述的一种水电站地下厂房排水孔幕的模拟方法，其特征在于，步骤3的具体过程如下：
步骤3.1、以地层实体和排水孔幕外轮廓实体分别为原始对象，地下厂房实体为被剪对象，进行布尔差集运算，保留运算痕迹，删除地下厂房实体；
步骤3.2、以排水孔幕外轮廓实体为原始对象，排水孔实体为被剪对象，进行布尔差集运算，保留运算痕迹，删除排水孔实体；
步骤3.3、以地层实体为原始对象，排水孔幕外轮廓实体为被剪对象，进行布尔差集运算，保留运算痕迹，保留排水孔幕外轮廓实体。
6.如权利要求1所述的一种水电站地下厂房排水孔幕的模拟方法，其特征在于，步骤4中，对每组所述地层实体以及排水孔幕外轮廓实体采用六面体形式划分网格。
7.如权利要求1所述的一种水电站地下厂房排水孔幕的模拟方法，其特征在于，步骤5的具体过程如下：
步骤5.1、设定排水孔边界条件，然后通过节点虚流量法得到总的云图结果；
步骤5.2、在总的云图结果中选取计算端面，调出总水头云图，将云图类型由“SolidArea Fills”改为“Line Contours”，得到总水头线，并调整总水头线的线带宽度使云图只显示压力水头为零的结果，得到地下水面线，结合地下厂房实体最终得出地下水面线与厂房各部分的相对位置。
8.如权利要求7所述的一种水电站地下厂房排水孔幕的模拟方法，其特征在于，设定排水孔边界条件时，当无排水孔或排水孔失效时，排水孔各计算节点转换为模型内部节点，当排水孔工作时，排水孔边界为潜在逸出边界，即排水孔各节点水头为节点对应位置水头。
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