基于ANSYS的土石坝稳定渗流场的数值模拟

摘要

本文在总结前人研究成果的基础上，对利用有限单元方法计算土石坝稳定渗流场进行了研究和分析，并阐述利用体积加权法计算稳定渗流场的原理和步骤。然后以大型通用有限元软件ANSYS为平台，应用其自带的二次开发工具——APDL语言，编写了渗流计算命令流程序(Seepage)，并利用UIDL语言将之界面化，形成渗流分析模块。通过算例验证了该程序的可行性和正确性，接着对均质和非均质，各向同性和各向异性的土石坝以及烟集粘土心墙土石坝进行分析计算，并和其它渗流软件相互比较，结果较为相近，证明了ANSYS计算渗流场的实用性。 在渗流分析的基础上，采用瑞典圆弧滑动方法，利用已有的Fortran程序，确定烟集粘土心墙土石坝的最危险滑弧条分及安全系数，计算得出的结果满足规范的要求，表明坝体是稳定的。最后，对ANSYS在三维渗流场中的应用以及如何计算渗透体积力进行探讨和分析，并编写相应的命令流程序，得到的结果较为准确。本文的研究成果不仅可以应用于计算土石坝的稳定渗流场，也可以应用到其它坝比如混凝土坝的稳定渗流场的分析，为解决渗流问题提供参考。

目录

文摘

英文文摘

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1绪论

1.1论文研究背景

1.2渗流分析的发展状况

1.2.1国外发展状况

1.2.2国内发展情况

1.3土石坝中渗流计算的任务、内容及方法

1.3.1土石坝中渗流计算的任务

1.3.2土石坝中渗流计算的内容

1.3.3土石坝渗流分析方法概述

1.4本论文研究的指导思想和主要工作

1.5本章小结

2渗流有限元分析的理论基础及基本方法

2.1渗流的理论基础

2.1.1渗流的基本概念

2.1.2渗流的连续性方程

2.1.3渗流的基本微分方程

2.2有限单元法概述

2.3渗流分析的有限元法计算原理及实施步骤

2.3.1渗流的基本方程和边界条件

2.3.2渗流场的离散

2.3.3有限元计算公式

2.3.4单元渗透矩阵的形成

2.3.5总体渗透矩阵的形成

2.4渗流自由面求解的基本方法及评述

2.4.1变动网格法

2.4.2固定网格法

2.5本章小结

3 ANSYS计算稳定渗流的理论基础和基本过程

3.1 ANSYS软件简介

3.2 ANSYS热分析功能计算土石坝稳定渗流的理论基础

3.2.1 ANSYS热分析简介

3.2.2 ANSYS热分析的理论基础

3.2.3 ANSYS热分析功能计算土石坝稳定渗流的理论基础

3.2.4 ANSYS的稳态热分析功能

3.3 ANSYS参数化设计语言

3.4 ANSYS的生死单元

3.5 ANSYS热分析功能计算渗流自由面及相关物理量

3.5.1利用ANSYS的生死单元求解渗流自由面

3.5.2利用体积加权法求解渗流自由面

3.5.3渗流逸出点的计算

3.5.4渗流量的计算

3.5.5渗透比降的计算

3.6 ANSYS计算稳定渗流的界面化

3.7本章小结

4 ANSYS在土石坝二维稳定渗流中的应用

4.1具有水平褥垫式排水体土坝的渗流场分析

4.1.1概况及计算范围

4.1.2渗透系数

4.1.3边界条件的选取

4.1.4网格划分

4.1.5计算成果分析

4.2具有垂直防渗板墙的土石坝渗流场分析

4.2.1概况及计算范围

4.2.2渗透系数

4.2.3边界条件的选取

4.2.4网格划分

4.2.5计算成果分析

4.3烟集粘土心墙土石坝的渗流场分析

4.3.1概况及计算范围

4.3.2渗透系数

4.3.3边界条件的选取

4.3.4网格划分

4.3.5计算成果分析

4.4本章小结

5渗流作用下土石坝的静力稳定分析

5.1土石坝静力稳定分析的理论基础

5.2土坝边坡稳定分析的方法

5.2.1瑞典圆弧法计算原理

5.2.2简化毕肖普法计算原理

5.3烟集粘土心墙土石坝边坡的静力稳定分析

5.3.1计算工况

5.3.2计算断面材料分区物理力学指标

5.3.3渗流计算成果

5.3.4稳定计算成果

5.4本章小节

6利用ANSYS计算三维稳定渗流及其渗流体积力

6.1三维稳定渗流的基本方程及定解条件

6.1.1三维稳定渗流的基本方程

6.1.2三维稳定渗流的定解条件

6.2算例1

6.2.1计算范围及网格剖分

6.2.2计算成果分析

6.3算例2

6.3.1计算范围及网格剖分

6.3.2计算成果分析

6.4渗流作用力

6.4.1静水压力或浮力

6.4.2动水压力或渗透力

6.4.3利用ANSYS计算渗透体积力

6.4本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢