土石坝有限元网格快速生成算法及渗流分析

摘要

有限元法是科学研究和工程问题的通用数值分析方法，是计算机辅助分析的重要组成部分。运用有限元法可以模拟复杂的材料结构、荷载关系以及边界条件，因此，该方法广泛地应用于水利工程领域。可靠、高效的有限元网格生成算法是实现有限元法的基础和前提。本文运用有限元法对土石坝进行渗流分析，而运用有限元法实现渗流分析的关键又在于建立高质量的土石坝有限元网格模型。在对土石坝进行敏感性分析、体型优化、数值计算时所考虑的因素是不同的，需要针对各种问题建立不同的模型，而建模时间一般占据有限元分析耗时的80％左右，因此运用传统的有限元软件建立有限元网格模型效率不高，需耗费较长时间，严重影响仿真工作进度。
　　有限元软件建立土石坝模型时需要考虑大坝的各种因素，多数情况下还需要根据不同的设计方案建立不同的模型，对各种设计方案进行比选优化；因此采用现有的有限元软件前处理器建立土石坝有限元网格模型不利于快速仿真。针对有限元软件前处理器建模效率不高的问题，本文提出了一种土石坝有限元网格的快速生成算法，并运用Fortran语言将该算法予以实现。该算法首先将土石坝最大断面进行二维网格剖分，并将其沿坝轴线方向平推，得到土石坝初始三维网格；其次，将复杂的建基面简化为若干平面的组合，考虑平面组合和三维网格各单元的位置关系，用该平面组合对土石坝初始三维网格进行切割，实现了考虑建基面形状的土石坝网格；最后，对切割后的坝体网格向下方和四周进行拉伸，得到含有均质地基的大坝—地基有限元网格。通过如美工程的实例应用，验证了该算法生成土石坝有限元网格的高效性。该算法显著地降低了有限元前处理的难度和时间花费。
　　本文以如美土石坝工程的初步设计方案为例，运用ABAQUS软件的渗流分析模块，运用通过快速生产算法建立的如美工程土石坝有限元网格模型，对土石坝进行渗流分析，分析大坝特征点的渗透坡降是否处于允许范围内，由此判断如美土石坝工程设计方案的合理性。

目录

声明

选题的依据与意义

国内外文献资料综述

1 绪论

1.1 有限元法论述

1.2 生成有限元网格的方法概述

1.3 有限元网格模型

1.4 水利工程的渗流控制

1.5 本文的主要研究内容

1.6 拟解决的关键问题与预期目标

2 渗流基本理论及如美工程基本资料

2.1 多孔介质渗流的基本理论

2.2 工程地理位置及规模

2.3 工程主要建筑物的布置和型式

2.4 筑坝材料的参数

2.5 建筑物布置方案

2.6 小结

3 快速生成算法建立土石坝有限元网格模型

3.1 快速生成算法建模的思路

3.2 工程实例

4 如美土石坝工程渗流分析

4.1 坝体材料参数拟定

4.2 二维渗流分析

4.3 三维渗流分析

4.4 大坝的安全性评价

4.5 土石坝防渗加固措施

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录：攻读硕士学位期间发表的论文

致谢