CN110472309B - 一种二维渗流计算模型中考虑三维绕渗效应的方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种二维渗流计算模型中考虑三维绕渗效应的方法、装置，所述方法包括：确定三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数；在二维渗流计算模型防渗体下游侧，沿高程方向设置至少一列绕渗边界单元；设置所述绕渗边界单元的渗透系数以及边界条件，其中所述绕渗边界单元的渗透系数包括所述三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数。如此将三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数通过绕渗边界单元进入二维渗流计算模型中，实现将三维绕渗效应纳入二维渗流计算模型中，可使渗流分析和渗流应力耦合分析更接近实际。

Description

一种二维渗流计算模型中考虑三维绕渗效应的方法、装置

技术领域

本发明实施例涉及土木工程、岩土工程、水利水电与交通工程的大坝与围堰、基坑、边坡的技术领域，尤其涉及一种二维渗流计算模型中考虑三维绕渗效应的方法、装置。

背景技术

大坝、围堰、堆积体边坡的渗流以及应力变形与稳定性分析中，常常需要进行二维渗流或二维渗流与应力变形耦合计算，而实际渗流性状的三维绕渗效应难以在二维模型中予以考虑，造成二维模型计算结果与实际情况存在较大差异。

对于大坝和围堰，这种存在防渗墙等防渗体系，渗流水在不同高程绕渗进入下游的情况，三维渗流特征显著。垂直于大坝轴线剖面上的二维渗流计算模型或二维渗流与应力变形耦合计算模型，如果不将坝基和两岸山体的绕渗影响包含到模型边界条件之中，通过防渗体系下游模型部分的渗流量低于所模拟剖面的实际渗流量，导致渗流应力耦合结果由于渗流边界条件与实际差异较大，耦合分析结果中渗流、应力和位移的结果也有可能与实际情况也差异较大，给大坝和围堰等构筑物的设计和安全分析带来不利影响。因此，在二维渗流模型或渗流与应力变形耦合分析模型中纳入三维绕渗效应的影响，可使渗流分析和渗流应力耦合分析更接近实际。

发明内容

鉴于此，为解决上述技术问题或部分技术问题，本发明实施例提供了一种二维渗流计算模型中考虑三维绕渗效应的方法、装置。

第一方面，本发明实施例提供了一种二维渗流计算模型中考虑三维绕渗效应的方法，所述方法包括：

确定三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数；

在二维渗流计算模型防渗体下游侧(渗流从上游流向下游)，沿高程方向设置至少一列绕渗边界单元；

设置所述绕渗边界单元的渗透系数以及边界条件，其中所述绕渗边界单元的渗透系数包括所述三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数。

在一个可能的实施方式中，所述在二维渗流计算模型防渗体下游侧，沿高程方向设置至少一列绕渗边界单元，包括：

在二维渗流计算模型防渗体下游侧，沿高程方向选择一列接受绕渗流量的单元边缘；

针对所述单元边缘，沿着水平方向向各个单元边缘附加设置至少一列绕渗边界单元。

在一个可能的实施方式中，所述确定三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数，包括：

获取预设三维渗流计算模型；

根据所述三维渗流计算模型，对典型工况的三维稳定渗流进行计算，获得大坝或者围堰防渗平面各高程进入下游二维模型中各土层的绕渗流量，各高程到防渗平面下游土层的水头降落量；

根据所述绕渗流量与所述水头降落量，确定三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系；

根据三维渗流计算模型中垂直于防渗剖面的二维渗流计算模型在防渗体下游侧的土层平均宽度，以及三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系，计算三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数。

在一个可能的实施方式中，所述根据所述绕渗流量与所述水头降落量，确定三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系，包括：

利用所述绕渗流量除以所述水头降落量，获得三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系。

在一个可能的实施方式中，所述绕渗边界单元的边界条件与上游侧水头边界条件一致。

第二方面，本发明实施例提供一种二维渗流计算模型中考虑三维绕渗效应的装置，所述装置包括：

系数确定模块，用于确定三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数；

第一设置模块，用于在二维渗流计算模型防渗体下游侧，沿高程方向设置至少一列绕渗边界单元；

第二设置模块，用于设置所述绕渗边界单元的渗透系数以及边界条件，其中所述绕渗边界单元的渗透系数包括所述三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数，依据绕渗单元的宽度，计算出等效渗透系数，使二维渗流模型计算中，能使三维渗流模型中进入下游的绕渗效应，体现在二维模型之中。

在一个可能的实施方式中，所述第一设置模块具体用于：

在二维渗流计算模型防渗体下游侧，沿高程方向选择一列接受绕渗流量的单元边缘；

针对所述单元边缘，沿着水平方向向各个单元边缘附加设置至少一列绕渗边界单元。

在一个可能的实施方式中，所述系数确定模块，包括：

模型获取子模块，用于获取预设三维渗流计算模型；

渗流计算子模块，用于根据所述三维渗流计算模型，对典型工况的三维稳定渗流进行计算，获得大坝或者围堰防渗平面各高程进入下游二维模型中各土层的绕渗流量，各高程到防渗平面下游土层的水头降落量；

关系确定子模块，用于根据所述绕渗流量与所述水头降落量，确定三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系；

系数计算子模块，用于根据三维渗流计算模型中垂直于防渗剖面的二维渗流计算模型在防渗体下游侧的土层平均宽度，以及三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系，计算三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数。

在一个可能的实施方式中，所述关系确定子模块具体用于：

利用所述绕渗流量除以所述水头降落量，获得三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系。

在一个可能的实施方式中，所述绕渗边界单元的边界条件与上游侧水头边界条件一致。

本发明实施例提供的技术方案，通过确定三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数，在二维渗流计算模型防渗体下游侧，沿高程方向设置至少一列绕渗边界单元，设置所述绕渗边界单元的渗透系数以及边界条件，其中所述绕渗边界单元的渗透系数为所述三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数与单元宽度之商。如此将三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数通过绕渗边界单元进入二维渗流计算模型中，实现将三维绕渗效应纳入二维渗流计算模型中，可使渗流分析和渗流应力耦合分析更接近实际。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种二维渗流计算模型中考虑三维绕渗效应的方法的实施流程示意图；

图2为本发明实施例的在二维渗流计算模型中设置绕渗边界单元的示意图；

图3为本发明实施例的绕渗边界单元的设置与节点编号方式的示意图；

图4是本发明实施例的一种二维渗流计算模型中考虑三维绕渗效应的装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种二维渗流计算模型中考虑三维绕渗效应的方法的实施流程示意图，该方法具体可以包括以下步骤：

S101，确定三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数；

在发明实施例中，预先构建一个三维渗流计算模型，获取该三维渗流计算模型，根据该三维渗流计算模型，对典型工况的三维稳定渗流进行计算，以获得大坝或者围堰防渗平面各高程进入下游二维模型中各土层的绕渗流量，各高程到防渗平面下游土层的水头降落量。

针对上述获得的绕渗流量与水头降落量，根据所述绕渗流量与所述水头降落量，确定三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系，具体是：利用所述绕渗流量除以所述水头降落量，获得三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系。

根据三维渗流计算模型中垂直于防渗剖面的二维渗流计算模型在防渗体下游侧的土层平均宽度，以及三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系，可以换算出三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数，其对应二维模型单位宽度上的高程-绕渗系数。

S102，在二维渗流计算模型防渗体下游侧，沿高程方向设置至少一列绕渗边界单元；

在本发明实施例中，在二维渗流计算模型防渗体下游侧，沿高程方向设置至少一列绕渗边界单元，具体是：在包含二维渗流计算的模型中(可以是二维渗流计算模型、二维渗流与应力变形耦合计算模型、二维渗流与温度场耦合计算模型等)，在二维渗流计算模型防渗体下游侧，沿高程方向选择一列接受绕渗流量的单元边缘，针对所述单元边缘，沿着水平方向向各个单元边缘附加设置至少一列绕渗边界单元，其宽度可设为单位长度，各附加单元产生的新节点，同一位置不共用节点编号。

S103，设置所述绕渗边界单元的渗透系数以及边界条件，其中所述绕渗边界单元的渗透系数取为所述三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数与单元宽度之比值。

针对上述绕渗边界单元，设置其渗透系数以及边界条件，其中所述绕渗边界单元的渗透系数包括所述三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数，意味着所述绕渗边界单元的渗透系数等于所述三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数与单元宽度之比值，如此可以实现将三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数通过绕渗边界单元进入二维渗流计算模型中，实现将三维绕渗效应纳入二维渗流计算模型中，可使渗流分析和渗流应力耦合分析更接近实际。

对于绕渗边界单元的外边，即为绕渗入渗边缘，其边界条件与上游侧水头边界条件一致。

此外，对于二维渗流与应力变形耦合计算模型，绕渗边界单元可设置为只进行渗流计算不进行变形计算的单元。而对于没有此功能的程序，其容重可以设为等于水的容重，边界上只设置渗流条件而不施加水压力、弹性模量取小值等方法来减小影响；且其宽度可以从单位长度缩小n倍(n可取100、1000)而渗透系数减小n倍的方法，来消除附加单元本身的存在对变形的影响。

结合下列具体实施例，对本发明实施例提供的技术方案进行说明：

在根据上述步骤确定三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数后，在二维渗流计算模型建立，并剖分有限元计算网格后，在如图2所示的位置设置附加绕渗边界单元；

如图3所示，沿着接受绕渗流量的有限元网格边上，附加绕渗边界单元。从接受绕渗流量的每个单元边上，向右侧(或左侧)延伸一个单元。接受绕渗流量的单元边是原模型与附加单元的公共边，即附加单元与其共用节点，附加单元的其他节点，为新增节点，与已有网格节点不共用，与其他附加单元也不共用节点。如3-4边上延伸的附加单元3-4-52-51，与4-5边上延伸的附加单元4-5-54-53，52点与53点的坐标相同，但是不是同一个点。

附加绕渗边界单元的宽度取1个单位，渗透系数取上述确定的三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数，也可将附加绕渗边界单元的宽度与渗透系数同比例减小。

通过上述对本发明实施例提供的技术方案的描述，通过确定三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数，在二维渗流计算模型防渗体下游侧，沿高程方向设置至少一列绕渗边界单元，设置所述绕渗边界单元的渗透系数以及边界条件，其中所述绕渗边界单元的渗透系数为所述三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数。如此将三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数通过绕渗边界单元进入二维渗流计算模型中，实现将三维绕渗效应纳入二维渗流计算模型中，可使渗流分析和渗流应力耦合分析更接近实际。

相对于方法实施例，本发明实施例还提供了一种二维渗流计算模型中考虑三维绕渗效应的装置的实施例，如图4所示，该装置可以包括：系数确定模块410、第一设置模块420、第二设置模块430。

系数确定模块410，用于确定三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数；

第一设置模块420，用于在二维渗流计算模型防渗体下游侧，沿高程方向设置至少一列绕渗边界单元；

第二设置模块430，用于设置所述绕渗边界单元的渗透系数以及边界条件，其中所述绕渗边界单元的渗透系数包括所述三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数。

根据本发明提供的一种具体实施方式，所述第一设置模块420具体用于：

在二维渗流计算模型防渗体下游侧，沿高程方向选择一列接受绕渗流量的单元边缘；

针对所述单元边缘，沿着水平方向向各个单元边缘附加设置至少一列绕渗边界单元。

根据本发明提供的一种具体实施方式，所述系数确定模块410，包括：

模型获取子模块411，用于获取预设三维渗流计算模型；

渗流计算子模块412，用于根据所述三维渗流计算模型，对典型工况的三维稳定渗流进行计算，获得大坝或者围堰防渗平面各高程进入下游二维模型中各土层的绕渗流量，各高程到防渗平面下游土层的水头降落量；

关系确定子模块413，用于根据所述绕渗流量与所述水头降落量，确定三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系；

系数计算子模块414，用于根据三维渗流计算模型中垂直于防渗剖面的二维渗流计算模型在防渗体下游侧的土层平均宽度，以及三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系，计算三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数。

根据本发明提供的一种具体实施方式，所述关系确定子模块413具体用于：

利用所述绕渗流量除以所述水头降落量，获得三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系。

根据本发明提供的一种具体实施方式，所述绕渗边界单元的边界条件与上游侧水头边界条件一致。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种二维渗流计算模型中考虑三维绕渗效应的方法，其特征在于，所述方法包括：

确定三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数；

在二维渗流计算模型防渗体下游侧，沿高程方向设置至少一列绕渗边界单元；

设置所述绕渗边界单元的渗透系数以及边界条件，其中所述绕渗边界单元的渗透系数包括所述三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数；

所述确定三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数，包括：

获取预设三维渗流计算模型；

根据所述三维渗流计算模型，对典型工况的三维稳定渗流进行计算，获得大坝或者围堰防渗平面各高程进入下游二维模型中各土层的绕渗流量，各高程到防渗平面下游土层的水头降落量；

根据所述绕渗流量与所述水头降落量，确定三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系；

根据三维渗流计算模型中垂直于防渗剖面的二维渗流计算模型在防渗体下游侧的土层平均宽度，以及三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系，计算三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在二维渗流计算模型防渗体下游侧，沿高程方向设置至少一列绕渗边界单元，包括：

在二维渗流计算模型防渗体下游侧，沿高程方向选择一列接受绕渗流量的单元边缘；

针对所述单元边缘，沿着水平方向向各个单元边缘附加设置至少一列绕渗边界单元。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述绕渗流量与所述水头降落量，确定三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系，包括：

利用所述绕渗流量除以所述水头降落量，获得三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系。

4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述绕渗边界单元的边界条件与上游侧水头边界条件一致。

5.一种二维渗流计算模型中考虑三维绕渗效应的装置，采用权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述装置包括：

系数确定模块，用于确定三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数；

第一设置模块，用于在二维渗流计算模型防渗体下游侧，沿高程方向设置至少一列绕渗边界单元；

第二设置模块，用于设置所述绕渗边界单元的渗透系数以及边界条件，其中所述绕渗边界单元的渗透系数包括所述三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一设置模块具体用于：

在二维渗流计算模型防渗体下游侧，沿高程方向选择一列接受绕渗流量的单元边缘；

针对所述单元边缘，沿着水平方向向各个单元边缘附加设置至少一列绕渗边界单元。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述系数确定模块，包括：

模型获取子模块，用于获取预设三维渗流计算模型；

渗流计算子模块，用于根据所述三维渗流计算模型，对典型工况的三维稳定渗流进行计算，获得大坝或者围堰防渗平面各高程进入下游二维模型中各土层的绕渗流量，各高程到防渗平面下游土层的水头降落量；

关系确定子模块，用于根据所述绕渗流量与所述水头降落量，确定三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系；

系数计算子模块，用于根据三维渗流计算模型中垂直于防渗剖面的二维渗流计算模型在防渗体下游侧的土层平均宽度，以及三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系，计算三维渗流计算模型中单位宽度的绕渗系数。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述关系确定子模块具体用于：

利用所述绕渗流量除以所述水头降落量，获得三维渗流计算模型中高程与绕渗参数对应关系。

9.根据权利要求5至8任一项所述的装置，其特征在于，所述绕渗边界单元的边界条件与上游侧水头边界条件一致。

Images