Seep(渗流计算)-V3.0使用手册

二四年一月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：kJ dsdhk L h kv =-=∆-= (1.2.1) 式中h —测压管水头，gv pz h 22αγ++=，z 为位置高度，p 为压强，γ为水的容重。

因为渗流的流速一般很小，流速水头gv 22α可忽略，故γp z h +=。

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，dsdhJ =。

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,v ，这两种流速存在以下关系：,nv v = (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:mkJ v 1= （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1＜m ＜2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：x x xx J k xhk v =∂∂-= y y yy J k yhk v =∂∂-= （1.2.4） z z zz J k zhk v =∂∂-= 1.2.3渗流运动连续性方程质量的速率为dydz v x ρ，流出右侧面的水体质量的速率为dxdy dz v zv z z )(∂∂+ρ，则左右面进出流量之差为dxdydz v xx ρ∂∂-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V v z v y v x z y x ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-ρρρ 将上式展开为V z v y v x v V z v y v x v z y x z y x ⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-ρρρρ 式中后一项与前一项相比，小得可以忽略，故改写成V z v y v x v z y x ⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-ρ （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：()tnV t n V t V n t V n t M ∂∂+∂∂+∂∂=∂∂=∂∂ρρρρ （1.2.6） 式中，n 为土体的孔隙率，ρ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：()thVn g t M ∂∂+=∂∂βαρ2 （1.2.7） 式（1.2.7）中 α——土颗粒骨架的压缩性（即压缩模量） β——水的压缩性h ——渗流测压管水头（m ），gpz h ρ+= 根据质量守恒原理，式（1.2.5）与式（1.2.7）相等，则得到()t hn g z v y v x v z y x ∂∂+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-βαρ （1.2.8） 假定水和土不可压缩时，上式变为：0=∂∂+∂∂+∂∂zv y v x v zy x （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：()thS t h n g z h k z y h k y x h k x s z y x ∂∂=∂∂+=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂βαρ （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()βαρn g S s +=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（αρg ）和水体膨胀（βρgn ）所释放出来得储存水量。

当介质为均质各向同性（即k k k k z y x ===）时，式（1.2.10）变为thk S z h y h x h s ∂∂=∂∂+∂∂+∂∂222222 （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0=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂z h k z y h k y x h k x z y x （1.2.12） 022222=∂∂+∂∂+∂∂zhy h x h （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0=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂z h k z x h k x z x （1.2.14） 02222=∂∂+∂∂z hx h (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0=s S ，因此，有自由面的三维非稳定渗流微分方程为0=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂z h k z y h k y x h k x z y x （1.2.16） 其二维非稳定渗流微分方程为0=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂z h k z x h k x z x （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上游已知水头边界：)(1t H h ABC = 下游已知水头边界：2H h EFG = 下游坡渗出段已知水头边界：z h DE = ⑵流量边界：),,(22t z x f nh k q n=∂∂=Γ (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：θμcos thq ∂∂= （A ） 式中 θ—自由面的法线与铅直线的夹角μ—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θcos zh k n h k q n n∂∂-=∂∂-= （B ） 由式（A ）、（B ），自由面流量边界条件改写成：zhthk n ∂∂-=∂∂μ （C ） 当坝体土各向异性时，n k 取z k 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：*=z h 。

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：① 三角形单元总数500<；②4213,n n n n <- 3124,n n n n <-； ③浸润线变动范围内31n n =图4.1.1工程及视图参数界面5(6)n3 （） （）n434n1587 （）3n2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)：工程相关参数：图4.1.2图形绘制界面 (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。