土石坝渗流参数反演的数值分析方法.pdf
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1、摘要 T i t l e :T H EE A R T HD A MS E E P A G EP A R A M E T E RI N V E R S I O NO F N U M E R I C A LA N A L Y S I SM E T H O D S u b j e c t :A g r i c u l t u r a lW a t e ra n d S o i le n g i n e e r i n g N a m eo fA u t h o r : N a m eo fA d v i s o r : ZM Z 呀 bz k ih A bs tra c t S i g n a t
2、u r e : 一 S i g n a t u r e :兰三兰丝! 幺 I nh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g ,h y d r a u l i cs t r u c t u r e so nt h ei m p a c to fs e e p a g ei st h em o s t i m p o r t a n ta s p e c t so fe n g i n e e r i n gs a f e t y ,e s p e c i a l l yf o rs u c hav a r i e t yo fe a r t hd a mm a
3、t e r i a l f i l l i n gt h eh y d r a u l i cs t r u c t u r e s D a ma st h em o s tw i d e l yu s e di nd a mb u i l d i n g ,t h ef a s t e s t g r o w i n gf o r m ,i t ss t r u c t u r ei ss i m p l ea n de a s i l yo b t a i n e d T h i ss t r u c t u r a lf o r ma n dm a t e r i a l p r o p
4、 e r t i e s ,m a k i n gt h ed a mf o rav a r i e t yo ff o r m so fr e t a i n i n gb u i l d i n g s ,a n dt h ef l o wi sm o s t c l o s e l y T h ed a mb r e a ka n dd e s t r o ym a n ya r ec a u s e db yt h ef l o w ,S Of l o wi st op r o t e c tt h e r e a s o n a b l ec o n t r o lo ft h en
5、 e c e s s a r yc o n d i t i o n sf o rt h es a f eo p e r a t i o no fd a m I nt h i s p a p e r ,t h e n u m e r i c a li n v e r s i o nm e t h o df o rp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tw e r e s y s t e m a t i c a l l yi n d e p t hr e s e a r c h A sab a s i sf o rr e s e a r c hw o
6、 r k ,f i r s tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f s e e p a g ef i e l dt h e o r yw e r ed e r i v e d ,r e s p e c t i v e l y ,u s i n gv a r i a t i o n a lm e t h o da n dG a l e r k i nm e t h o d d e r i v e dc a l c u l a t i o n ,c o n s i s t e n tw i t ht h ed e r i v a t i o no f
7、t h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h ef o r m u l ao f t h ep r o c e s sp o i n to fv i e w ,G a l e r k i nv a r i a t i o n a lm e t h o dc o m p a r e dt om o r ee x p l i c i tp h y s i c a l m e a n i n g ,c l e a ra n dc o n c i s ed e r i v a t i o np r o c e s st od e r i v et h el o
8、 g i co fc o n v e r g e n c ec l o s e ,m o r e c o n d u c i v et ot h er e a l i z a t i o no ft h ec a l c u l a t i o np r o c e d u r eo ft h em o d u l a r ,t of a c i l i t a t el a t e rt h e p r o g r a mc o n t i n u e st oi m p r o v ea n ds u p p l e m e n t I nt h e o r y ,b a s e do n
9、t h ep r e p a r a t i o no ft h e d e t e r m i n i s t i cf i n i t ee l e m e n ts e e p a g e ,s e e p a g ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a mf o rt h ec o r r e c t n e s sa n d a c c u r a c yo fv a l i d a t i o n :T h es t a b i l i z a t i o n a ne x a m p l eo fn o n s t e a d ys e e p
10、a g e ,r e s p e c t i v e l y ,i n t h es t e a d ys t a t ei sv e r i f i e da n dn o n s t e a d ys t a t ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a mt oc a l c u l a t et h e r e l i a b i l i t ya n da c c u r a c y S e c o n d l y ,i nt h ef l o wc a l c u l a t i o ni sm a d eb a s e do nt h ea n a
11、 l y s i so f s e e p a g ep a r a m e t e r sb a c ka n a l y s i s ,w eu s et h ed e t e r m i n i s t i cm o d e l ,s e e p a g e ,s e e p a g eo f d e t e r m i n i s t i cm a t h e m a t i c a lm o d e lt od e t e r m i n et h eb a s i c p a r a m e t e r so f t h em e t h o da r e s u m m a r
12、i z e d ,a n a l y z e dt h eb a s i cp a r a m e t e r So fs e e p a g e ,p r o p o s e san e wf l o wm e t h o df o r s o l v i n gt h eb a s i cp a r a m e t e r s ,n a m e l yt h eu s eo ft h ed a ma n dt h eh e a do fs e t t l e m e n tD e d u c i n g f l o wm o n i t o r i n gd a t at of i n d
13、t h eb a s i cp a r a m e t e r s O nt h es t a t eo ft h ed a me m b a n k m e n ts e e p a g e a n i s o t r o p ya n a l y s i st od e t e r m i n et h es a f e t yi m p a c t ,a n dw e r ev e r i f i e db ye x a m p l e F i n a l l y ,t h i s H e i h eh u bi n n e rw a l ls e c t i o n0 + 2 2 5m
14、 e a s u r e ds e t t l e m e n td a t aa n dm e a s u r e dh e a dd a t a ,v e r i f y t h ed a ms e t t l e m e n tm e t h o do fs o l v i n gt h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h ef e a s i b i l i t yo ff l o w ,a n dw i t h m ee n 9 1 n e e n n ga p p l i c a t i o n s W e r es e l e c t e dM
15、 a y1 2 ,2 0 0 4 ,S e p t e m b e r2 4 ,2 0 0 6a n dA 研l1 , 2 0 0 8t h e s et h r e eg r o u p so fs e t t l e m e n td a t aa n dt h eh e a d d a t a ,C a l c u l a t i n gt h ef l o wt h r e et i m e s t h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h eh e a r tw a l l ,t h e nu s e t h ed e t e r m i n i s
16、 t i cm o d e lt ov a l u es i m u l a t e dw a t e r l e V e l sr i s ea n df a l lt h r e et i m e sd u r i n gt h e s e e p a g ef i e l d ,t h eh e a do fd a t aw i t ht h em e a s u r e d n u m e n c a ls i m u l a t i o nr e s u l t st o v e r i f yt h ea c c u r a c ya n dc o r r e c t n e s
17、s a n dh a v ea c h i e v e dg o o d s i m u l a t i o nr e s u l t R K e y w o r d s :d e t e r m i n i s t i cm o d e l ,f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ,d a m s e t t l e m e n t ,s e e p a g ep a r 锄e t e r d e t e r m i n a t i o n I V 目录 目录 1 绪论1 1 1 选题背景和研究意义1 1 2 国内外研究的历史及现状2 1 3 本文的
18、主要研究内容及技术路线6 1 4 本章小结j 8 2 土石坝二向渗流计算有限元单元法的基本原理9 2 1 渗流计算有限单元法的基本思想9 2 2 渗流计算的数学模型选用9 2 3 有限元的数值计算方法1 0 2 4 本章小结11 3 土石坝二向渗流有限元计算1 2 3 1 单元剖分与插值函数1 2 3 1 1 单元剖分1 2 3 1 2 插值函数1 2 3 2 土石坝渗流计算公式推导1 4 3 2 1 变分法公式推导1 4 3 2 2 伽辽金法公式推导1 7 3 3 土石坝稳定渗流有限元计算2 4 3 3 1 稳定渗流的基本微分方程2 4 3 3 2 稳定渗流的定解条件2 5 3 3 3 程序
19、流程2 6 3 3 4 算例2 6 3 4 土石坝非稳定渗流有限元计算2 8 3 4 1 非稳定渗流的基本微分方程2 8 3 4 2 非稳定渗流的定解条件2 8 3 4 3 程序流程2 9 3 4 4 算例3 0 3 5 本章小结31 4 土石坝渗流基本参数的确定方法分析与研究3 2 4 1 渗流基本参数确定方法研究现状3 2 4 1 1 确定渗透系数的方法3 2 4 1 2 确定给水度的方法3 3 4 1 3 确定单位贮存量的方法3 4 4 1 4 反演问题求渗流参数的方法3 5 1 西安理工大学硕士学位论文 4 2 土石坝渗流基本参数影响因素分析3 6 4 3 土石坝沉降变形与孔隙率的关系
20、3 7 4 4 各向异性对土石坝渗流的影响3 8 4 5 水平与垂直渗透性的确定方法4 0 4 6 本章小结4 3 5 土石坝渗流模型工程应用4 4 5 1 西安市黑河金盆水库工程概况4 4 5 2 断面的计算范围及网格剖分4 5 5 3 渗流边晃条件的确定4 7 5 4 渗流基本参数的确定5 1 5 5 渗流计算的结果与分析5 7 5 6 本章小结6 5 6 总结与展望一6 6 6 1 总结6 6 6 2 展望6 6 致谢6 7 参考文献6 8 附录7 2 1 绪论 1 绪论 1 1 选题背景和研究意义 世界各国对大坝安全问题均十分的重视,2 0 世界5 0 年代以前,美、英、法等发达国 家
21、先后制定了水法、水库安全法等法令。国际大坝安全委员会1 9 6 4 年正式成立了大坝失 事安全委员会,针对涉及大坝安全的相关问题进行探讨和研究,以指导各国的水利工程的 开发与建设n 1 。7 0 年代后,特别是改革开放以来,随着我国对公共安全意识的加强,对大 坝安全也越来越重视,先后颁布了多个有关防洪、大坝安全等方面的法律、法规和条例, 使得水库大坝的安全与管理有法可依。1 9 8 8 年成立了水利部大坝安全监测中心,1 9 9 5 年 又成立了水利部大坝安全管理中心,开始对全国的水库大坝实施注册登记,组织对大坝安 全进行鉴定,完善大坝安全监测设施,以及对管理人员丌展培训,加强对水库大坝安全的
22、 行业管理。 据统计,我国共建成水库8 6 万多座,其中大部分是土石坝,大型水库的大坝7 0 是 土石坝,中型水库的大坝有9 0 以上是土石坝,而小型水库的大坝几乎都是土石坝,尤 以均质土坝最多瞄3 。这些水库在防洪、灌溉、供水、发电、改善生态环境等方面发挥了巨 大的作用,是我国防洪保安工程体系与水利基础设施的重要组成部分。然而这些水库大多 数都是在2 0 世纪5 0 7 0 年代修建的,由于当时的经济和技术条件的限制,普遍存在水文 和地质资料缺乏,设计标准低,施工质量差,以及病险隐患多的问题。这些问题不仅影响 着工程效益的发挥,而且还严重的威胁下游人民的生命财产安全。据不完全统计。,目前 我
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