渗流力对水坝与地基之间相互作用影响的数值分析模型

3PeqHP产品介绍主办方：工程科学与技术，国际期刊18（2015）185e193全文等几何法Mehrdad Shahrbanozadeh*，Gholam-Abbas Barani，Saeed Shojaee土木工程系，Shahid Bahonar大学，邮政信箱76169133，克尔曼，伊朗A R T IC L EIN F O文章历史记录：收到日期：2014年7月15日收到日期：2014年2014年11月14日接受2015年1月2日在线发布关键词：渗流阻力出口比降等几何分析实验模型A B S T R A C T本 研 究 介 绍 一 种 数 值 方 法 ， 称 为 等 几 何 分 析 （ IGA ） 来 解 决 拉 普 拉 斯 方 程 。采 用 非 均 匀 有 理 B样 条（NURBS）基函数对坝基各向异性饱和多孔介质进行逼近，以描述其几何形状。采用标准伽辽金法得到了拉普拉斯控制方程的离散形式。目前的结果包括扬压力，渗流量和出口比降与现有的实验数据的基础上的物理模型进行了验证。所得数据也与经验数据进行了比较。计算结果表明，在较宽的上游水流条件范围内，计算结果与实验测量结果符合得很好。此外，与传统方法相比，该数值方法提高了参数的收敛性和精度。©2014 Karabuk University.由爱思唯尔公司制作和主持这是一篇开放获取的文章，的CCby-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。1. 介绍水坝通常建在可渗透的地基上。坝基渗流是由于上下游水位差引起的，其对透水地基的影响包括上举力、渗流量和出口坡度。上拔力降低了大坝与基础之间的抗剪强度。此外，该过程可提供应变、张力，并最终降低大坝结构抗滑动或倾覆的安全系数。出口比降是确定水工建筑物抗管涌安全性的主要设计准则。Bligh（1910）提出了水流在水力结构下通过的蠕变长度理论.他将蠕变长度定义为与坝基接触的第一条渗流线的路线。此外，Bligh指出，水力梯度沿蠕变线是恒定的，沿这条路径的能量损失随蠕变长度线性变化。因此，扬压力在坝下呈线性分布提出了加权蠕变理论，其中系数为0.33，1.0总水平和垂直渗流长度分别分配（图1）。因此，根据Lane的加权蠕变理论，等效蠕变长度定义为[2]的形式：Leq¼1XLHXLV（1）其中L为总等效长度，L为总水平渗流长度（坡度小于45 °的壁），LV为总垂直渗流长度（坡度大于45°的壁），45分）。按Bligh方法计算，坝基扬压力呈线性分布。为了防止破坏在结构物下游趾部的现象，可用出口坡度（ix）应小于下式中允许的出口坡度（C）基础[1，2]。Lane（1935）研究了200多个受损水工建筑物的出口坡度，并报告说，iDhCLeqLeq1D h/Dh≥C0Leq ≥C（二）水平和垂直蠕变路径之间的差异因此他*通讯作者。电子邮件地 址 ：eng.uk.ac.ir（M. Shahrbanozadeh），gab@mail.uk.ac.ir（G.- A. Barani），Saeed. mail.uk.ac.ir（S. Shojaee）。由Karabuk大学负责进行同行审查式中Dh为上游水头与下游水头之差：Khosla等（1936）提出了一种通过求解复杂势函数来估算地基扬压力分布的方法。他们研究了在一个建造在透水地基上的水工建筑物下的水流网络。Khosla假设位势线和位势线分别是同心椭圆和双曲线。考虑到没有http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2014.11.0012215-0986/©2014 Karabuk University.由爱思唯尔公司制作和主持这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：http://www.elsevier.com/locate/jestch186M. Shahrbanozadeh等人 /Engineering Science and Technology，an International Journal 18（2015）185e193ffiffiffip¼¼ þþ¼¼pdpYFig. 1. 蠕变理论中参数表征的示意性定义（Tokaldani和Shayan，2012年）。Khosla估算沿断层的扬压力分布的关系式为[2，4]。图二. 根据Bligh和Khosla等人的理论比较隆起分布（Tokaldani和Shayan，2012年）。近年来，IGA已被应用于各种流体力学问题，并证明了它在流体力学领域的价值。第一项研究是在基准盖驱动方腔中的稳态不可压缩斯托克斯波场[14]。随后对全时非定常Navier-Stokes方程的分析表明，该算法在变量连续性和PHgwpcos-12xBB比2B≤x≤2（三）复杂的动态流域[15，16]。IGA方法的基本思想是利用能够从CAD的角度精确地建模几何形状的基函数进行数值计算，出口梯度为：i出口¼H（4）这里，H为上游水头，参数Y1 1a2= 2和ab=d随基础长度（b）和防渗墙长度（d）而变化[2]。图2显示了布莱和科斯拉理论预测的隆起分布。虽然Khosla的理论通常比Bligh和Lane的蠕变理论更可靠，但在处理复合地基的情况下，它需要求解非常复杂的方程，并且当应用于各向异性地基时精度也较低[3]。在此基础上，提出了基于问题条件求解控制方程的水工建筑物扬压力估算方法。在过去的一个世纪里，人们进行了各种努力来开发使用达西定律和理查德方程的数值模拟。在一个案例研究中，Abedi Koupaei（1991）使用有限差分法[5]预测了扬压力的分布。近几十年来，由于多孔介质中水流的高度复杂性，在大多数情况下，多孔介质的所有区域都被认为是一个控制系统，可以测量颗粒之间的不同水力参数通过这种方式，一些研究人员根据实验数据集[6e10]提出了水力梯度和水通量率之间的经验关系。此外，由于研究二维（或三维）维问题的基本需求和以前经验模型的局限性，很少有研究人员研究改进模型的应用[11，12]。IGA是最近开发的一种计算方法，它提供了将有限元分析（FEA）集成到传统的基于NURBS的计算机辅助设计（CAD）工具中的可能性。基于IGA的方法不断发展，并在解决广泛研究领域中的许多不同问题方面显示出许多巨大的优势，例如流体结构相互作用，壳体，结构分析等[14e18]。力学问题中的IGA概念是由Hughes及其同事作为偏微分方程离散化的新技术而开创的[13]。内物 理 现 象 的 模 拟 。 它 可 以 使 用 B 样 条 或 非 均 匀 有 理 B 样 条（NURBS）进行几何描述，并调用等参概念来定义未知的场变量。基于IGA的方法不断发展，并在解决不同问题（如流体-结构相互作用、壳体和结构分析）方面显示出若干重要优势[17e 20]。Hughes等人在IGA中引入了时间相关问题的本质边界条件。[21]第20段。本文采用基于改进遗传算法的数值算法估计各向异性多孔介质中拉普拉斯方程的解并将数值模型的计算结果与基于实验条件的物理模型和传统方法的计算结果进行了比较。2. 实验模型在这项研究中，从实验设置报告的数据被应用到验证所提出的数值模型。试验在长1.70 m、宽0.18 m的水槽中进行 该实验室位于德黑兰大学灌溉和开垦工程系水力实验室。为了获得水力学参数以及所提出的方法的准确性和收敛性，实验组由上游防渗床、作为坝体的防渗墙物理模型的示意图如图3所示。截水墙的长度从2.5 cm到30 cm不等，并位于从防渗墙上游40 cm到下游115 cm的不同位置上游水头取2.5 cm ~ 20 cm，上游水位采用消落体固定。下游水位被设定为零。扬压力分布由测压网络测量，测压网络由39个测压计组成（13行，每行包括3个测压计，图3）[3]。为了防止不受控制的管涌，在上游和下游河床倾倒了一个砾石过滤器（D 502 mm）。从水工建筑物稳定性的角度来看，海滩砂被归类为最不适合的土壤类型，被选为透水床材料。土壤的导水率是用M. Shahrbanozadeh等人 /Engineering Science and Technology，an International Journal 18（2015）185e193187Þ þ1iÞ¼i;j：vuXXvu><>vxvynM图3.第三章。物 理 模 型 的 尺 寸 ： （ a ） 平 面 图 ; （ b ） 。 A-A节（Tokaldani和Shayan，2012年）恒压头法和注入染料法。土壤水平和垂直导水率分别为0.00143 m/s和0.001202 m/s。共进行了110次实验。在各种上游水头、截止深度其中xi是第i个节点值，n和p分别是节点向量中定义的基本函数的数量和阶一阶B样条在节点向量中定义为，和截水墙位置。 在每个实验中，渗流N为0× 10 - 4。1ifxi ≤ x

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