GeoStudio 在水闸渗流计算中的应用

第８期　２０１４年８月　广东水利水电　ＧＵＡＮＧＤＯＮＧ　ＷＡＴＥＲ　ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ　ＡＮＤ　ＨＹＤＲ０ＰＯＷＥＲ　Ｎｏ．８　Ａｕｇ．２０１４　ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ在水闸渗流计算中的应用　李　飞　（广东省水利水电科学研究院，广东广州　５１０６３５）　摘要：采用ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ有限元软件对水闸渗流进行计算，并与规范推荐的改进阻力系数法计算结果进行比较分析，表　明ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ可以方便准确地应用于求解水闸渗流问题，可为水闸设计及安全鉴定中渗流问题的计算提供便利。　关键词：ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ；水闸渗流；改进阻力系数法；有限单元法　中图分类号：ＴＶ６６　文献标志码：Ａ　文章编号：１００８—０１１２（２０１４）０８—００２１—０３　闸基渗流¨　问题是水闸工程设计、施工以及安全运　行的关键因素。科学准确的渗流分析为合理选择渗流控　制措施、评价水闸工程的安全可靠性提供必要的依据，　因此对水闸渗流计算的研究具有十分重要的实际意义　Ｊ。　本文采用基于有限单元法的数值计算软件ＧｅｏＳｔｕ．　水头边界条件：　ｄｉｏ，对某水闸渗流进行计算分析，验证了其用于水闸　渗流计算的可行性。其可视化的建模及强大的求解功　能，为水闸在设计和安全鉴定阶段　的渗流计算问题　提供了一个有效便捷的途径，对相关工程具有参考和　ｈＩ丁１＝　（　，Ｙ）　流量边界条件：　ｈｆ　＝　（　，Ｙ）　（２）　（３）　ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ中的ＳＥＥＰ／Ｗ模块正是基于有限元法，　借鉴价值。　１理论依据及计算原理　１．１改进阻力系数法　求解以上拉普拉斯边值问题，从而进一步得到相关渗　流要素。　２算例分析　某水闸地下轮廓线布置如图１所示，闸前水位为　１０４．７５　ｍ，闸后水位按１００．００　Ｉｎ考虑。闸基土在高程　改进阻力系数法　是水闸地基恒定渗流的一种近　似计算方法，也是《水闸设计规范》（ＳＬ２６５－－２００１）［４１　推荐的计算方法，该法把水闸具有的复杂地下轮廓线　的渗流区域分成若干简单的段，根据渗流区分段用理　论分析得出的各段渗流阻力系数，进而求出各段水头　损失以及各渗流要素。主要计算步骤为：　１００．００～９０．５０　Ｉｎ之间为砂壤土透水层，渗透系数Ｋ＝　２．４×１０一ｃｍ／ｓ，９０．５０　１３３高程以下为不透水层，板桩　深入地基至９４．００　Ｉｌｌ高程。分别采用改进阻力系数法　和ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ软件计算闸基渗流。　１）地下轮廓线分段；　２）确定地基有效深度；　３）计算各段水头损失；　４）进出口段水头损失局部修正。　关于改进阻力系数法的详细计算步骤及公式见　《水闸设计规范》（ＳＬ２６５－－２００１）附录Ｃ．２［５１。　１．２基于有限元法的ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ软件实现　闸基渗流可认为是不计粘性的恒定理想势流运　动＿６　Ｊ，归结为拉普拉斯解数学物理问题的数值解。　闸基稳定渗流基本方程为：　收稿日期：２０１４—０５—２６；修回日期：２０１４—０６—１９　图１某水闸地下轮廓布置示意（单位：ｍ）　作者简介：李飞（１９８８），男，硕士，助理工程师，主要从事水利工程安全鉴定和除险加固研究。　・２１・　２０１４年８月　第８期　李飞：ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ在水闸渗流计算中的应用　Ｎｏ．８　Ａｕｇ．２０１４　２．１采用改进阻力系数法计算　１）通过计算确定有效基地深度为９．５　ｍ；　２）简化地下轮廓线，将其划分成１０段，如图２　所示。　２卜　、　利用ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ有限元软件ＳＥＥＰ／Ｗ模块计算得　到水闸闸基的渗流总水头等值线分布如图４所示。闸　基地下轮廓线上各节点总水头变化曲线如图５所示。　：　＜　／　１０７５　．。　　ｆＩ１０　９７５　．｛　＼　／　＼　／　遁　砂壤层　『，　＼—　￡　Ｌ　６　＼＼　Ｉ　Ⅱ　Ⅲ　ｌ　１Ⅳ　Ｉｆ　Ｖ　Ⅵ　＼　Ⅶ　Ⅷ　Ｘ　　Ｉ　Ｉ　Ｊ９０．５　Ｌ　图２改进阻力系数法计算示意（单位：ｍ）　３）计算阻力系数，从而得到水闸各个分段的水头　损失：　△日（Ｉ）＝０．５７；ａｎ（Ⅱ）＝０．０８；△日（ｍ）＝０．０７；　ＡＨ（ＩＶ）＝０．８５；△日（Ｖ）＝０．８８；ＡＨ（ＶＩ）：０．８２；　ＡＨ（ＶＩＩ）＝０．７０；ＡＨ（Ⅷ）＝０．０７；ＡＨ（Ⅸ）＝０．１６；　△日（Ｘ）＝０．５５。　４）进出口段水头损失局部修正后，求得闸基地下　轮廓线各角点相对渗流水头差（以下游水头为０　ｉｎ　计）：　Ｈ（１）＝４．７５；Ｈ（２）＝４．３７；Ｈ（３）＝４．２１；Ｈ（４）　＝４．０７；　日（５）＝３．１８；Ｈ（６）＝２．３０；Ｈ（７）＝１．４８；Ｈ（８）　＝０．７７；Ｈ（９）＝０．６３；Ｈ（１０）＝０．３１；Ｈ（１１）＝０。　２．２采用ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ软件计算　１）有限元模型建立　利用ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ有限元软件对水闸地基模型进行自　动网格划分，共生成节点１　６７８个、单元１　５９９个，数　值计算模型见图３所示。　图３水闸渗流有限元分析网格模型　２）材料参数　水闸各部位材料参数取值见表１。　表１材料参数表（单位：ｃｍ・ｓ　）　部位　渗透系数　上部混凝土结构　砂壤土地基层　板桩　３）数值计算　・２２・　距离／ｍ　图４闸基渗流总水头等势线（单位：ｍ）　１０５　　Ｉｌ０４　Ｉ　　．１０３　．　＝若　１０２　＼　、　‘　１Ｏｌ　１Ｏ０　Ｉ　１Ｏ　１５　２０　２５　３Ｏ　３５　Ｘ／ｍ　图５　闸基地下轮廓线上各节点总水头变化　３计算成果分析　１）闸基地下轮廓线上节点渗流水头　取图２中地基轮廓线上计算角点，列出各角点相　对渗流水头差（以下游水头为０ｍ计），如表２所示。　表２水闸地下轮廓线各点渗流水头差（单位：ｍ）　比较闸基地下轮廓线各角点的水头，采用ＧｅｏＳｔｕ．　ｄｉｏ软件计算结果与改进阻力系数法计算得到的结果较　为接近。　２）渗透坡降比较　水闸渗流出口段平均坡降、底板水平段平均坡降　２０１４年８月　第８期　广东水利水电　如表３所示。　表３水闸渗透坡降比较　用有限元方法进行渗流计算比改进阻力系数法具有明　显的优势。　４结语　本文采用ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ有限元软件对某水闸进行渗流　计算，并与改进阻力系数法进行对比。验证了其用于　比较水闸出口段平均渗透坡降及水平段平均渗透　计算水闸渗流是可行的。ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ软件拥有强大的　前、后可视化处理能力和有限元计算能力，加上如今　坡降，ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ软件计算结果略大于改进阻力系数法　计算结果，偏于安全。　通过对２种计算方法的原理以及计算结果的比较，　可以得到以下几点结论：　电子计算机的普遍使用，采用ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ软件使得水闸　的渗流分析工作变得更加方便、快捷。　参考文献：　①采用ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ软件用于水闸渗流计算是可行　［１］谈松曦．水闸设计［Ｍ］．北京：水利电力出版社．１９８６．　［２］　顾小芳．水闸渗流计算方法分析与研究［Ｊ］．中国农村水　利水电，２０１２（８）：１３７—１３９．　［３］　黄春华，袁明道，刘敏，等．水闸安全鉴定应关注的技　的，且由计算结果可以看出ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ软件较改进阻力　系数法偏于安全。　②改进阻力系数法只能计算闸基地下轮廓线上各　角点的水头，两拐点之间的水头近似认为是呈直线变　化，与实际渗流有一定的误差。而基于有限元法的　术问题［Ｊ］．广东水利水电，２０１２（１２）：１—２，５．　［４］　毛昶熙，周保中．闸坝地基渗流计算的改进阻力系数　法［Ｊ］．水利学报，１９８０（５）：５１—５９．　ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ软件则可以计算出渗流场内任一点的水头，　且更能真实反映水闸闸基实际渗流情况。　［５］　ＳＬ２６５—２００１水闸设计规范［ｓ］．北京：中国水利电力出　版社．２００１．　③改进阻力系数法只能计算每段闸基地下轮廓线　的平均渗透坡降，不能体现地基内部每一个节点渗透　比降数值的变化情况。利用基于有限元法的ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ　［６］　毛昶熙主编．渗流计算分析与控制［Ｍ］．北京：中国水　利水电出版社，２００３．　（本文责任编辑王瑞兰）　软件能够计算地基内部每一个节点的渗透比降值。利　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ　ｔｏ　Ｓｌｕｉｃｅ　Ｓｅｅｐａｇｅ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ＬＩ　Ｆｅｉ　（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１０６３５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ＦＥＭ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｆ　ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ　ｉｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｌｕｉｃｅ　ｓｅｅｐａｇｅ，ａｎｄ　ｔｏ　ｃｏｍｐａｒｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｆｒｏｍ　ｒｅｆｉｎｅｄ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ　ｂｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｓｌｕｉｃｅ．Ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃａｌｃｕ—　ｌａｔｅ　ｓｌｕｉｃｅ　ｓｅｅｐａｇｅ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｂｒｉｎｇ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓａｆｅｔｙ　ａｐｐｒａｉｓａｌ　ｏｆ　ｓｌｕｉｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｅｏＳｔｕｄｉｏ；ｓｌｕｉｃｅ　ｓｅｅｐａｇｅ；ｒｅｆｉｎｅｄ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ＦＥＭ　・２３・