理正岩土使用手册-渗流分析

第一章 功能概述渗流分析计算软件主要分析土体中的渗流问题。

适用于勘察、设计等单位进行土堤、土坝的渗流分析、闸坝地基的渗流分析、堤防的渗流分析、基坑降水的流场分析等。

并可以将流场的数据传递到稳定分析软件，以便分析考虑流场的稳定问题。

⑴ 渗流的分析方法：公式方法和有限元方法。

⑵ 公式方法依据《堤防工程设计规范》提供的计算公式。

适用于下列情况：一般稳定渗流计算；双层地基稳定渗流计算；水位上升过程中不稳定渗流计算；水位降落过程中不稳定渗流计算。

⑶ 有限元方法是依据非饱和土理论、根据基本的渗流理论――达西定律等，采用有限元方法分析稳定流及非稳定流中多种边界条件、多种材料的堤坝、或土体的渗流分析。

但有限元法分析渗流问题是以线性达西定律为基础，因此不适应非线性达西定律的流场分析及不满足达西定律的流场分析。

第二章 快速操作指南2.1 操作流程图2.1-1 操作流程2.2 快速操作指南2.2.1 选择工作路径图2.2-1 指定工作路径此处指定的工作路径是所有岩土模块的工作路径。

进入某一计算模块后，还可以通过按钮【选工程】重新指定此模块的工作路径。

2.2.2 计算项目选择选择渗流计算所采用的方法（有限元分析法与公式法）：图2.2-2 计算项目选择2.2.3 增加计算项目点击【工程操作】菜单中的【增加项目】菜单或“增”按钮来新增一个计算项目。

2010-5-2606渗流分析（一二三）图2.2-3 增加计算项目界面2.2.4 编辑原始数据录入或选择渗流分析所需的各种原始数据，有限元法和公式法交互窗口分别如图2.2-4和2.2-5。

图2.2-4 有限元数据交互对话框图2.2-5 公式法数据交互对话框1. 集中的参数交互界面，即把几乎所有的参数置于一个界面上，操作简单，大大提高了人机交互的效率，这是理正岩土系列软件的一个共性特征。

2. 同时提供了有关参数的即时弹跳说明信息，方便用户理解参数的意义。

2.2.5 计算结果查询图2.2-6 计算结果查询窗口计算结果查询界面分为左右两个窗口，左侧窗口用于查询图形结果，右侧窗口用于查询文字结果。

第三章 操作说明3.1 关于计算例题的编辑3.1.1 增加例题与删除当前例题1．通过【工程操作】菜单的“增加项目”和“删除当前项目”来增加一个新的例题或删除当前的例题。

2．“增”或“删”按钮增加一个新的例题或删除当前的例题。

通过“算”计算当前选择的例题。

3.1.2 数据的读写通过【辅助功能】菜单的“读入数据文件”可以将原来保存好的数据读进来进行计算；通过【辅助功能】菜单的“数据存盘到文件”可以将当前例题的数据保存在磁盘上。

3.1.3 把典型例题加入例题模板库实际工程中会有一些具有一般代表性的典型例题，当完成该例题的数据交互后，可通过【辅助功能】菜单中的“将此例题加入模板库”把该例题存为例题模板，从而在每次新增例题时可以重复调用该例题的数据，在此基础上修改少量的数据进行计算。

3.1.4 读入理正“边坡稳定”数据文件用于读入理正边坡稳定分析软件的数据文件，与边坡稳定共享坡线、地层信息。

当点此菜单命令时，将会弹出一个对话框选择所要读入的文件名称，再点【打开】按钮则自动读入。

3.1.5 读入DXF文件自动形成坡面、节点、土层数据（复杂土层模块中）提供了另一种交互复杂土层的方法，对于熟练掌握AutoCAD的用户，能更快捷完成复杂土层的交互。

通过【辅助功能】菜单中的“读入DXF文件自动形成坡面、节点、土层数据”把土层交互到土层参数表中。

选择命令后，弹出注意事项对话框（图3.1-1）：图3.1-1 读入DXF文件注意事项对话框3.1.6 生成准流网图通过【辅助功能】菜单中的“生成准流网图”生成流网图，并通过“间隔数”的交互及“加删等势线”和“加删流径”按钮命令编辑“等势线”和“流径”的间距。

选择命令后弹出对话框（图3.1-2）图3.1-2 读入DXF文件注意事项对话框3.2 计算简图辅助操作菜单在数据交互界面的左侧图形窗口单击鼠标右键，弹出图形显示快捷菜单，使用该菜单可有效的查看计算简图，可把计算简图存为DXF格式的文件，用AUTOCAD等图形编辑器进行编辑。

3.3 快速查询图形结果3.3.1 选择输出图形结果有限元法：“计算简图”“压力水头各点计算值”“压力水头等值线”“压力水头彩色云图”“总水头各点计算值”“总水头等值线”2010-5-2606渗流分析（一二三）“总水头彩色云图”“流速矢量图+等水头线”“流速Vx彩色云图”“流速Vy彩色云图”“流速V彩色云图”“X向水头梯度计算值”“X向水头梯度彩色云图”“Y向水头梯度计算值”“Y向水头梯度彩色云图”“给定界面数值曲线”公式法：“计算简图”“计算结果图”通过在输出选项列表中选择相应的选项来输出对应的图形结果。

图3.3-1 图形输出界面3.3.2 通过辅助功能菜单查看图形结果单击【辅助功能】菜单（图3.1-3）中的【查看计算图形结果】项，可查看当前例题的图形结果。

2010-5-2606渗流分析（一二三）图3.3-2 计算结果图形查询界面3.3.3 图形查询辅助工具12在图形结果查询窗口单击鼠标右键，弹出图形查询快捷菜单，可以方便地查看图形。

33.4 计算书的编辑修改文字结果输出较为完整的计算书，主要包括以下信息：“计算简图”“计算已知条件”2010-5-2606渗流分析（一二三）“计算结果”文字结果可以使用文字编辑菜单进行编辑，也可以用其它文本编辑器进行编辑。

3.5 几个参数的说明——在计算时划分的单元长度，该参数影响计算的精度及速度。

一般可以先取1m～5m之间的数进行计算，查看计算结果，不满意可修改该值重新计算。

：当采用不同的两次计算的结果非常接近时，可认为此时的解是合理的解。

——指程序计算时迭代次数的上限值。

——迭代计算时，两次计算结果误差的允许值。

1. 当程序计算过程中已经满足计算要求时，迭代次数即使未达到该值也会自动停止迭代；而迭代次数达到该值但仍未满足计算要求时，程序也会停止计算，这时会提示计算不成功。

应修改参数或边界条件后，再重新计算。

2. 计算不收敛的可能原因1）渗透系数的数量级相差太大－－将渗透系数较大的地层去掉，不参与分析；2）土层区域的构造不合理－－不要形成有较小锐角的区域；3）网格剖分单元长度不合理－－有狭窄区域时，应特别注意；4）边界条件交互不合理－－注意边界条件是否与实际情况相吻合；5）交互的计算迭代次数不够!由于导致计算不成功的可能原因并不唯一，因此需要用户认真检查交互的参数，分析不成功的原因，修改相应的参数，重新计算。

3.6 数据和结果文件数据和结果文件位于用户设定好的工作目录下。

有限元分析法和公式法的数据文件格式分别2010-5-2606渗流分析（一二三）为*.SL和*.GSL，图形文件格式*.DXF，计算书格式为*.RTF。

第四章 有限元法编制原理4.1 编制依据⑴《渗流计算原理及应用》顾慰慈编著中国建材工业出版社 2000.08；⑵《土工原理与计算》（第二版）河海大学钱家欢殷宗泽主编中国水电出版社 1996.05；⑶《渗流数值计算与程序应用》毛昶熙段祥宝李祖贻主编河海大学出版社 1999.01；⑷《有限单元法原理与应用》（第二版）朱伯芳编著中国水利水电出版社1998.10。

4.2 有限元法基本计算公式1式中：[K]——透水系数矩阵；{H}——总水头向量；[M]——单元储水量矩阵；{Q}——流量向量；t——时间。

2[K]其中：其中：α──最大透水系数的方向角，用于各项异性的材料中。

其中：其中：A为三角形面积4也就是：单元内任意点的流速均相等。

5[K]6[M]7其中：Ω为单元内源或蒸发造成的流量m3/s，内源为正，蒸发为负。

8其中：V n=l x V x+l y V y为单元边界的流速m/s，流入为正，流出为负。

2010-5-2606渗流分析（四）而l x=cosα，l y=cosβ，如上图显示。

假定V n在边界上为线性变化，在1点为q1，在2点为q2，将上述积分运算展开：最后得：9处理方法1为类似于强制位移的处理方法，乘大数法，此方法的优点是简单，缺点是容易造成病态矩阵。

处理方法2是将已知水头的节点都移到方程的右端，方程的未知变量中不出现这些节点，优点是方程不会出现病态，未知数个数比第一种减少，缺点是处理起来比较复杂。

本系统中采用第二种方法。

4.3 非稳定流有限元分析方法非稳定渗流问题的有限元方程是与时间有关的方程，对时间进行有限差分运算，可得到如下方程：式中：Δt——时间增量；ω——0 ~ 1之间的一个系数；H1——时间增量结束时的水头值；H0——时间增量开始时的水头值；Q1——时间增量结束时的流量值；Q0——时间增量开始时的流量值；其它符号的意义同前。

取ω=0时，上述方程变为：根据上式，如果已知前一个时间步的水头值，就可以根据上式递。

2010-5-2606渗流分析（四）第五章 公式法编制原理5.1 编制依据《堤防工程设计规范》 GB 50286-985.2 一般稳定渗流计算方法一般稳定渗流计算方法适用于以下情况：土堤类型：均质土堤心墙式土堤斜墙式土堤地基类型：透水地基不透水地基排水条件：无排水设备或贴坡式排水褥垫式排水棱体排水5.2.1 均质土堤5.2.1.1 不透水地基1．不透水地基均质土堤下游坡无排水设备或贴坡式排水稳定渗流计算图5.2.1-1 不透水堤基均质土堤的渗流计算（无排水设备）（5.2.1.1-1）（5.2.1.1-2）（5.2.1.1-3）（5.2.1.1-4）（5.2.1.1-5）式中：q——单位宽度渗流量（m3/d.m）；k——堤身渗透系数（m/d）；H1——上游水位（m）；H2——下游水位（m）；h0——下游出逸点高度（m）；m1——上游坡坡率；m2——下游坡坡率；b——土堤顶部宽度（m）；H——土堤高度（m）；L——（m）；ΔL——（m）；L1——（m）。

根据上面的方程，解出h0和q/k。

浸润线的计算式为：（5.2.1.1-6）计算出水坡渗流出口比降：H2=0渗出点A：（5.2.1.1-7）堤坡与不透水面交点B：（5.2.1.1-8）式中：J0——下游无水背水坡出口比降；απ——下游坡面的坡角。

A、B两点之间比降呈直线变化。

H20渗出段AB的比降J：2010-5-2606渗流分析（五）（5.2.1.1-9）Array）（5.2.1.1-10 Array（5.2.1.1-11）浸没段BC的比降J：（5.2.1.1-12）或Array（5.2.1.1-13）≤0.95。

公式（5.2.1.1-12）或（5.2.1.1-13）的适用范围为r/l或y/H2 Array）（5.2.1.1-14 Array（5.2.1.1-15）2．不透水地基均质土堤下游坡有褥垫式排水稳定渗流计算图5.2.1-2 不透水堤基均质土堤渗流计算（下游有褥垫式排水））（5.2.1.2-1 Array（5.2.1.2-2）Array（5.2.1.2-3）褥垫式排水，排水体的工作长度为：2010-5-2606渗流分析（五）（5.2.1.2-4）浸润线的计算式为：（5.2.1.2-5）式中：L0——排水褥垫的长度（m）；ΔL用公式（5.1.1.1-4）计算。