SUSAP饱和非饱和渗流分析软件的开发与应用

SUSAP饱和非饱和渗流分析软件的开发与应用汪自力黄河水利科学研究院水利部堤防工程安全与病害防治中心[e-mail]主要内容数学模型及求解饱和——非饱和不稳定渗流数学模型方程的求解计算参数的确定软件功能应用实例黄河大堤渗流动态模拟土石坝粘土心墙渗流动态模拟基坑降水过程模拟具有复杂排渗系统的灰坝渗流状态模拟具有多层自由面地下水渗流问题的模拟结语SUSAP饱和--非饱和渗流分析软件是在借鉴有关成熟的前后处理软件的基础上，历经十年的开发所取得的一些初步成果的结晶。本文介绍了该软件所用的数学模型及求解方法、软件的功能，以及在复杂工程渗流分析中的应用情况。1数学模型及求解1.1饱和——非饱和不稳定渗流数学模型tHhckgradHdiv)(][这里，求解域不但包括饱和区，而且也包括非饱和区，零压力线即是浸润线（自由面），自由面不再作为自由边界处理。k为饱和——非饱和渗透系数张量；H为饱和-非饱和流全水头；，θ为土体体积含水量，h为毛细管压力水头；c(h)为容水度，它表示负压水头变化一个单位时从单位体积非饱和土中所能释放（或吸收）的水的体积，在负压区随负压水头或含水率的变化而改变（非常数）；但在正压区，c(h)=0。(出渗段边界条件的处理）dhdc)h(1.2方程的求解该方程为时域内非线性方程，采用半离散的逐步积分法求其数值解，对空间采用等参元离散，对时域用后差分格式离散，较好解决了数值计算中出现的振荡等问题（步长）。1.3计算参数的确定非饱和渗流模型虽然在数学模型上有所简化，但在其计算参数选取上资料不多，主要是其测试技术尚未完善。但对稳定渗流所涉及的只是非饱和渗流计算参数，且其参数选取对稳定渗流分析结果影响不大,可满足工程计算要求，故一般可参照有关试验资料选取。非饱和渗透系数k=k(h)=kr(h)ks，ks为饱和渗透系数，kr(h)为相对非饱和渗透系数，对某一类土为相对稳定值。但对不稳定流计算，容水度c(h)值选取对计算结果影响较大（参数连续性）。2软件功能根据以上模型和方法，编制了相应的软件SUSAP该软件具有以下功能：⑴前后处理功能。可自动剖分网格，绘制等压线和等势线；⑵计算二维/三维、稳定/非稳定渗流；⑶可模拟复杂渗流状态，包括多层自由面形式；⑷程序可以随时中断，并查看最新计算结果。中断后可以修改控制参数接着计算或重新计算;⑸根据非饱和渗流的特点，程序允许对指定的节点的水头值进行人为控制，同时也允许对选定单元进行“舍弃”处理。这对计算域内内部存在排渗体情况的处理非常方便;⑹程序数据准备中对边界点只分上游边界和下游边界，对水位以下或以上的出渗段及非出渗段节点的判别均由程序自动完成，避开了对出渗段范围的判断要求;⑺时间步长可调，打印、存盘可做到有选择地进行;⑻结点编号的优化：三维问题的结点较多，其编号顺序直接影响着计算速度，因此，本程序在前处理中引入结点优化程序，并将有关数据进行了转换，在后处理中再进行逆转换。优化时达到最优所需的时间太长，故不一定用最优的结果，满足一定存贮量要求即可。3应用实例3.1黄河大堤渗流动态模拟[2][4]-[6]1990年起对黄河大堤典型堤段进行渗流动态分析。首先对观测断面进行分析计算，以验证按勘测资料和室内试验确定的概化断面和计算参数的可靠性，然后再对设计洪水位下的设计断面(加固后的观测断面)的渗流动态进行预报。先后对单东断面、花园口断面、御坝断面的渗流动态进行了计算分析，其结果与观测资料反映的动态基本一致。同时也可看出不稳定渗流分析所反映的问题：3.1黄河大堤渗流动态模拟[2][4]-[6]单东断面7月8日洪峰时刻等压线、等势线分布图3.1黄河大堤渗流动态模拟[2][4]-[6]典型时刻计算浸润线图①黄河下游洪水具有来去迅猛的特点，形成稳定浸润线很难，因此研究洪水渗透达到稳定渗流的过程和所需的时间长短对于堤防稳定性评价也是非常重要的；对于很快就会达到稳定流而且出渗点较高的河堤应该优先采取加固措施。②洪水前期浸润线位置较高、堤身比较湿润、地下水位较高时，洪水渗透将很快到达稳定渗流阶段，这时河堤的稳定性会大大降低。因此河堤加固时不但要采取降低出口比降的措施，也可辅助采用延长洪水渗透达到稳定流所需时间的方法，比如保持堤身干燥状态，抑制前期浸润线位置等方法。③洪水回落后河堤在相当长的时期内难以摆脱高浸润线，高饱和度的状态。因此汛期堤防在高水位长期浸泡后洪水回落时，非常容易引起临河滑坡等险情，故防汛抢险人员此时千万不可麻痹大意，在临河坡设计时也应增加排水措施，以加快浸润线的回落。3.1黄河大堤渗流动态模拟[2][4]-[6]对高土石坝来说，初次蓄水速度是决定土石坝安全及电站初期效益的一个关键问题。因为初次蓄水速度过快，有可能使心墙发生水力劈裂破坏，蓄水速度过慢，会减小电站初期效益，因此针对土石坝心墙进行初次蓄水等工况下的渗流动态计算分析是必要的。由于心墙渗透性很小，当库水位骤升时，浸润线会出现“倒坡”等特殊渗流现象，故用传统的饱和渗流分析方法极难处理，为此采用饱和——非饱和瞬态渗流分析模型进行计算，其结果合理，从而较理想地解决了心墙瞬态渗流分析中存在的问题。3.2土石坝粘土心墙渗流动态模拟[7]3.2土石坝粘土心墙渗流动态模拟[7]库水位710米升至850米（T=61d）瞬时渗流等势线分布库水位710米升至850米再降至790米（T=250d）瞬时渗流等势线至分布库水位850米升至790米（T=182d）瞬时流等势线分布基坑降水是基坑开挖的关键环节，能否在规定时间内将水降至基坑底0.5m以下，且不对周围建筑构成威胁，降水方案设计是关键。降水方案的设计涉及基坑所处位置的地质和水文条件、周围建筑情况、基坑大小和深度、支护方式和基坑开挖方式及工期要求等因素，因此其设计有较大的难度。以往在对基坑降水方案进行模拟计算时，多采用简化的经验公式，误差较大，影响降水方案的效果确定。在对处于闹市区的某基坑江水设计中，采用三维饱和——非饱和渗流数学模型，成功地解决了该基坑降水效果的模拟问题。在边界条件处理时，鉴于井点间距较小（1m～1.5m），采用以沟代井方法处理。对花管段所处位置节点可按负压控制，但从偏于保守及计算方便考虑，通常按出渗段（零压）简化处理。3.3基坑降水过程模拟[8]3.3基坑降水过程模拟[8]基坑降水等水头线分布图3.3基坑降水过程模拟[8]典型剖面等势线分布图灰坝是分层分批加高的，在运行初期以挡水为主，后期则以排渗为主。其排渗体不但在下游设置，而且可在初期坝上游、坝体内部或底部设置，根据需要也可在加高过程中在灰库中设置，故其排渗系统较为复杂，是设计上的重点和难点。从计算角度看，还有三个特点：①灰体的分层沉积导致灰体呈明显的各向异性；②灰面升高起到了加厚坝前防渗铺盖的作用，使渗流场的边界条件发生变化；③灰坝的作用水头小，在运行时又需要保持一定的干滩长度，使得坝体以及内部排渗体附近，尤其是灰库中相当一部分区域处于非饱和水分转移状态，故分析时易选用饱和——非饱和渗流模型。通过对几个大型灰坝渗流状态的成功分析说明，将饱和——非饱和三维渗流模型用于分析具有复杂内部排渗系统的灰坝的渗流状态既简单又可靠，基本上能够反映灰坝的实际渗流状态。3.4具有复杂排渗系统的灰坝渗流状态模拟[9][10]3.4具有复杂排渗系统的灰坝渗流状态模拟[9][10]初期坝整体渗流计算等水位线分布（程寨沟）0+420剖面等势线分布图（程寨沟）当地层呈层状分布，且各层之间渗透性相差较大时，其渗流状态可能出现饱和区与非饱和区相间分布的复杂情形。如用传统的饱和渗流方法，只能采用分区计算的方法作近似处理，即将透水性相对小的土层视为不透水层，上下两个相对不透水层间所含区域视为一个计算子域，然后对各个计算子域单独分析并把分析结果简单地拼在一块作为整个区域的计算结果。在分析时，由于各个子区域是相对独立的，故未能考虑各子区域之间实际存在的非饱和渗流交换。这样处理对于渗流主向基本平行于土层方向的情况所引起的误差一般较小；但对于渗流主向基本与土层方向相正交的情况误差则较大，甚至会掩盖某些特殊现象，出现定性的错误，使计算结果严重失真。在分析某灰场中灰水下渗对坝基周围地下水的影响时，采用饱和——非饱和渗流分析的有限元法，将分析区域作为一个整体分析，既解决了多层自由面调整带来的困难，又真实反映了灰水下渗对埋藏较深的地下水补给的影响，其计算结果合理，为解决具有多层自由面地层的渗流状态分析提供了一个简单实用的方法。3.5具有多层自由面地下水渗流问题的模拟[11]3.5具有多层自由面地下水渗流问题的模拟[11]东部初期坝渗流状态（焦作老君庙）西部初期坝渗流状态（焦作老君庙）其它基于复合形法基础上的渗流参数反演分析不稳定渗流下边坡稳定性分析4结语饱和——非饱和渗流在解决复杂渗流问题方面已显示出其优势，但还有许多问题值得进一步研究，如非饱和计算参数的确定、边界有流量交换情况下的处理、与地下水污染物扩散的联解等等。谢谢大家!敬请批评指正!