08(中国水科院——严俊)岩土工程中复杂渗流问题的精细数值仿真技术研究

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渗控措施部分缺陷条件下的渗流特性问题迫切需要研究
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岩土工程复杂渗流问题研究现状
渗流问题 研究现状 研究方法
1.工程地质精细模拟方法技术
基于地质剖面的模拟技术 基于交叉剖面的模拟技术 基于地质钻孔的模拟技术 基于多层DEM数据的模拟技术 基于平面地质图的模拟技术，等等
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岩土工程复杂渗流问题研究现状
流行为： 面板坝：采用面板+趾板+防渗墙+帷幕+排水的防渗体系；
土石心墙坝：采用心墙+廊道+防渗墙+帷幕+排水的防渗体系；
高边坡：采用密集排水孔幕的排水减压体系； 堤防：采用均质堤坝+排水反滤防渗体系；
地下洞室：采用帷幕灌浆+密集排水孔幕的排水减压体系，等等。

以往渗流问题的模拟分析多针对工程局部范围（小于1km2）内的渗流特性开展，随着工程建设规模的逐 步增加，工程范围内大区域（5～ 100km 2）、多渗控措施联合作用下的三维渗流特性模拟需求越来越大，
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岩土工程复杂渗流问题研究现状
渗流问题 研究现状 研究方法 从20世纪50年代开始，渗流和渗流控制逐渐成为一门学科，渗流场的渗流分析、土的渗透 稳定性质及渗流控制原理和方法的研究得到迅速发展。在水利工程和岩土工程建设中常会涉及 闸、坝、堤防、地下洞室群、高边坡、深基坑及围堰等，其中渗流的控制是涉及工程建设和安 全运行的最重要因素之一。据统计，95％以上的滑坡与地下水有关，由于渗流问题直接造成的 土石坝失事的比例约占30％～40％。 20世纪80年代以后，我国的高土石坝迅速发展，不仅高度雄居世界前茅，渗流控制也有较 大发展。渗流控制方面，主要表现在以下几点：①土石坝心墙裂缝纳入渗流控制范畴；②面板 坝的渗流控制愈加完善；③反滤层的渗流控制作用更显明确；④排水体的作用进一步得到发挥。
ωn)。
应用实例
（5）通过分析¤中任意元素的概率分布向量 ω(ω1，ω2，…，ωn )中的最大概率，就可以确定相 应的插值分析解，确定原则为： ①如果W(ω1，ω2，…，ωn) 中存在ωi满足 : ωi >ωj (j∈Θ，且 j ≠
i)则该待求元素属性值则为Θ中第i个元素。②如果W(ω1，ω2，…，ωn)中存在K 个Wi1， Wi2，…，
深厚覆盖层地基
裂缝发育岩体
超深软土地基
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岩土工程复杂渗流问题研究现状
渗流问题 研究现状 研究方法 随着近些年来国内岩土工程和水利工程的建设，尤其是西南地区高坝大库、高填方边坡的 建设，岩土工程渗流研究也遇到了一些新的复杂问题：
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多种工程措施组合渗控体系的渗流特性模拟难度越来越大
目前岩土工程和水利工程中多采用复合渗控体系，其实际渗流特性的数值模拟需要同时兼顾不同措施的渗
自由面模拟
大区域渗流
排水结构模拟 随机分布模拟
计算区域由1km2增加至100km2，网格的规模由25万节点降低至12万节点，得 到的精度与得到的结果基本一致。
3.渗控措施部分缺陷条件下的渗流特性问题
裂隙岩体渗流数学模型：立方定律、修正立方定律等 裂隙岩体充填与否下渗流特性，等等
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岩土工程复杂渗流问题研究现状
渗流问题 研究现状 研究方法 随着仿真技术的逐步发展，目前国内外对于渗流数值分析的方法也多种多样，主要包括： （1）基于变分原理和加权余量法的有限单元法； （2）边界元法； （3）无单元法； （4）离散单元法（DEM、颗粒流等）； （5）神经网络分析法，等等.
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复杂渗流问题的精细化模拟技术研究
自由面模拟
大区域渗流

节点虚流量法（以稳定饱和渗流场为例） 定义位于自由面以下的区域Ω1为渗流实域，自
[ K ]{h} {Q} {Q2 } {Q}
由面以上的区域Ω2为渗流虚域。在固定网格求解时， 定义中间被自由面穿过的单元为过渡单元，所有过 渡单元所构成的区域为过渡域. 过渡单元只是一部分位于渗流虚域内，在计算 这些单元的传导矩阵时需进行修正，以达到完全消 除单元虚区部分的结点虚流量贡献，目前最简单也 是最实用的办法是适当增加过渡单元在高度方向 （z方向）上的高斯积分点，在计算单元传导矩阵 时当积分点的压力水头为负时不对该点进行积分， 而在计算过程中将过渡单元作为实单元来处理即可。
这样就可以采用大尺寸的单元来达到同样的求 解精度的，可以大幅度减少有限元渗流分析的模型
排水结构模拟 随机分布模拟
[k ] WW i jWm F (i , j , m )
i j m
ng ng ng
n g ：3 —— 7
规模，有效提高大范围三维有限元分析效率。
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复杂渗流问题的精细化模拟技术研究
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排水结构模拟 随机分布模拟
Ω2 Ω1
复杂渗流问题的精细化模拟技术研究
自由面模拟 以往的做法：
大区域渗流
将左岸截取边界和右岸截取边界则均 取为第一类边界条件，即已知水头边界 条件，具体水头值大小和分布情况通过 对天然渗流场的反演分析而得。 改进后的取法： 考虑到左、右岸边界取到两侧山脊线 的位置和无限深地基中基本没有地下水 的流动，左、右岸边界条件应该是一个 流量边界等效为水头边质智能建模分析方法
应用实例
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复杂地质条件的精细建模分析评价方法研究
理论原理
模拟技术
——基于地质钻孔的复杂工程地质智能建模分析方法
能够考虑边界约束条件的影响控制:
应用实例
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复杂地质条件的精细建模分析评价方法研究
理论原理
模拟技术
——基于地质钻孔的复杂工程地质智能建模分析方法
条件下，混凝土防渗墙也可能因动荷载的作用产生规模不等的裂缝等。 面板裂缝：面板在施工过程中因为气温变化、不均匀沉降造成裂缝等问题，等等。
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岩土工程复杂渗流问题研究现状
渗流问题 研究现状 研究方法 随着近些年来国内岩土工程和水利工程的建设，尤其是西南地区高坝大库、高填方边坡的 建设，岩土工程渗流研究也遇到了一些新的复杂问题：
渗流问题 研究现状 研究方法
2.多种工程措施组合渗控体系的渗流特性模拟方法
有自由面的无压渗流模拟方法（虚流量法、截止负压法等） 密集排水孔幕的精细模拟（等效法、以沟代井法、子结构法等） 随机分布模拟方法 考虑耦合的饱和-非饱和渗流模拟方法 并行计算加速方法，等等
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岩土工程复杂渗流问题研究现状
渗流问题 研究现状 研究方法
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岩土工程复杂渗流问题研究现状
渗流问题 研究现状 研究方法 随着近些年来国内岩土工程和水利工程的建设，尤其是西南地区高坝大库、高填方边坡的 建设，岩土工程渗流研究也遇到了一些新的复杂问题：
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所面临的工程地质问题越来越复杂
工程地质问题是工程建设的关键。世界上遭受严重破坏的水工建筑物，有50%以上是由于对地质问题的认 识不够所造成的。
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目 录
Contents
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岩土工程复杂渗流问题研究现状 复杂地质条件的精细建模分析评价方法研究 复杂渗流问题的精细化模拟技术研究 缺陷渗流问题的理论与数值模拟技术研究 结论与展望
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复杂地质条件的精细建模分析评价方法研究
理论原理
模拟技术
——基于地质钻孔的复杂工程地质智能建模分析方法
在综合应用概率、模糊、神经网络理论等基础上，基于钻孔数据的三维地质模型智能建 模方法包括： 1）空间相关性原理：钻孔地层在空间上距离越近相关性越大； 2）已知等同原理：在已知的子空间分析出的解与原信息完全相等，或者是相似。这种等 同、或者是相似不仅仅在N维的离散点上，而且也满足任意N维连续空间； 3）相关性模糊测度原理：模糊集的核心就是描述不同对象在某一属性上的对比性，相关 性模糊测度原理就是通过模糊测度来反映这种相关性； 4）不同属性概率测度原理。就是对待分析空间任意一点的多解属性进行概率，或者是几 率分析；
迫切需要研究相应的数值仿真技术，等等。
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复杂防渗结构体的渗流特性模拟，如堰塞坝，其构成为空间差异性极大的滑坡土石、地基土石，等等
岩土工程复杂渗流问题研究现状
渗流问题 研究现状 研究方法 随着近些年来国内岩土工程和水利工程的建设，尤其是西南地区高坝大库、高填方边坡的 建设，岩土工程渗流研究也遇到了一些新的复杂问题：
5）背景及约束耦合原理。 13
应用实例
复杂地质条件的精细建模分析评价方法研究
理论原理
模拟技术
——基于地质钻孔的复杂工程地质智能建模分析方法
设已知钻孔的局部空间为Ω，待求的整体地质空间为¤。算法思路如下： （1）对所有钻孔的局部地层空间属性进行归类处理，构造一个地层属性空间Θ，其元素为 N个。（ 2）任取元素ζ∈Ω，元素ξ∈中¤，在ζ与ξ之间，通过模糊函数ƒ(， ，) ，建立ξ元素对ζ元素的模糊测 度，其中，为ζ与ξ之间的相关参数，是与距离相关的指标； 为约束条件参数体现；为区域背景参数 体现。 （3）将Ω视为神经元空间，ζ视为响应, 应用神经网络的原理，对待求空间任意点建立响应集Ξ。 （4）针对属性空间Θ，应用概理统计原理，对空间任意点的响应集Ξ，进行规一化处理，并将之转 化为积分方程，这样无穷子空间Ω的响应集就可以转化为属性空间上的概率分布向量W(ω1，ω2，…，
深厚覆盖层地基内混凝土防渗墙开裂后的分析模型，以掌握其对地基渗流的影响规律：
防渗墙裂缝：在防渗墙施工过程中，由于地基条件复杂、粘土泥浆质量差、施工工艺等问题常会导致墙体 产生劈裂裂缝、下部开叉现象；在大坝建成后，防渗墙可能会因不均匀沉降和变形产生众多拉裂缝；水库
蓄水后，墙体受类似于弯压组合荷载作用、在坝体及基岩约束下将产生挠曲，可能会出现纵向裂缝；地震
能够考虑地质背景的影响控制:
水平冲积
应用实例
土层2 土层1
土层2
45°坡向冲积
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复杂地质条件的精细建模分析评价方法研究
理论原理
模拟技术
——基于地质钻孔的复杂工程地质智能建模分析方法
某深厚软基上土石坝地质模型
应用实例
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复杂地质条件的精细建模分析评价方法研究
理论原理
模拟技术
——基于地质钻孔的复杂工程地质智能建模分析方法
右岸
上游 左岸 下游
排水结构模拟 随机分布模拟
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复杂渗流问题的精细化模拟技术研究
自由面模拟
大区域渗流
瀑布沟工程
排水结构模拟 随机分布模拟
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复杂渗流问题的精细化模拟技术研究
自由面模拟
大区域渗流 加密高斯点法
即增加高斯点的个数，目前改进节点虚流量法 可以将 由3增大到7，其有限元求解支配方程与虚 流量法一致，只是在求解关键矩阵 时，引入了加密 高斯点法，这样就可以在网格单元尺寸较大时，仍 然能够取得较好的精度。
Wik，满足:Wi1 = Wi2 = … = Wik >Wj (j∈Θ，且 j ≠ i1，i2，…，ik)，则元素的状态为Θ中第i1， i2，…，ik个元素属性的共同边界点。
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复杂地质条件的精细建模分析评价方法研究
理论原理
模拟技术
——基于地质钻孔的复杂工程地质智能建模分析方法
应用实例
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复杂地质条件的精细建模分析评价方法研究
某大型平原水库地质模型
应用实例
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复杂地质条件的精细建模分析评价方法研究
理论原理
模拟技术
——基于地质钻孔的复杂工程地质智能建模分析方法
某深埋地下隧洞地质模型
应用实例
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目 录
Contents
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岩土工程复杂渗流问题研究现状 复杂地质条件的精细建模分析评价方法研究 复杂渗流问题的精细化模拟技术研究 缺陷渗流问题的理论与数值模拟技术研究 结论与展望
本研究方法： （基于智能地质建模方法和有限单元法）
地质 模型
渗流 问题
缺陷 渗流
复杂渗 流分析 方法
Supported by：国家重点基础研究发展计划（973 计划） （2014CB047004）机场高填方稳定性分析研究
国家自然科学基金项目（51409278 ）复杂地质条件下混凝土防渗墙裂缝渗流特性试验及模型研究
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渗控措施部分缺陷条件下的渗流特性问题迫切需要研究
岩土工程和水利工程中设计渗控措施常常会在施工、运行过程中出现局部裂缝、破损和实效等情况，其渗
流问题属于典型的高水压力+高应力耦合作用下的渗流行为。而这些缺陷将逐渐削弱防渗体系局部的截渗 性能、加剧缺陷处的渗流，可能对下游造成冲刷，影响坝体、地基等结构物的渗透稳定性，迫切需要研究
第八届全国水利工程渗流学术研讨会
岩土工程中复杂渗流问题的精细数值仿真技术研究
中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所 流域水循环模拟与调控国家重点实验室
严 俊
目 录
Contents
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岩土工程复杂渗流问题研究现状 复杂地质条件的精细建模分析评价方法研究 复杂渗流问题的精细化模拟技术研究 缺陷渗流问题的理论与数值模拟技术研究 结论与展望