第三十四章：土石坝有限元非稳定流分析

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34.1  简介

　　本例主要通过“GEO5 岩土工程有限元分析 – 渗流模块”（以下简称“渗流模块”）来分析均质土石坝的非稳定渗流问题。几何模型与材料参数同第 33 章。此例的目的是得到浸润线随着时间的变化。该分析可以得到达到指定时间时浸润线的位置和形状、孔隙水压力和水流速度的分布、以及通过模型边界的总流 量。

34.2  任务

　　采用第 33 章中的土石坝模型，分别计算水库水位从 2m 突然增加到 9m 后， 1 小时、1 天、7 天、3 个月、1 年后的浸润面位置和形状，并确定达到稳定流所需的时间。

34.3  输入数据

　　在定义几何尺寸与材料参数时，可将第 33 章的数据直接复制过来（编辑 – 复制数据/粘贴数据）。在模式菜单中选择「分析设置」，在「分析设置」界面中选择“项目类型”为“平面应变分析”，选择“分析类型”为“非稳定流”， 并且勾选“允许采用稳定流分析为第一工况阶段输入地下水”。

34.4 工况阶段 1—初始水位在上游面地表以上 2m

　　和稳定流分析不同的是，在非稳定流分析中，我们感兴趣的是从给定的初始 状态开始，某一变量随时间的变化。初始状态必须在进行非稳定流分析之前定义。 勾选“允许采用稳定流分析为第一工况阶段输入地下水”选项后，可以通过在第 一工况阶段进行稳定流分析来获得初始状态的孔隙水压力分布（包括浸润面以下 的正孔隙水压力和浸润面以上的负孔隙水压力）。

　　工况阶段 1 的边界条件和计算结果与第 33 章工况阶段 1 完全相同。图 34.1 和图 34.2 分别给出了初始状态（工况阶段 1）的孔隙水压力 u 渗流分布和毛细吸力 u_succ 分布。

图 34.1  孔隙水压力分布 –  初始稳定状态

图 34.2  毛细吸力分布 –  初始稳定状态

34.5 工况阶段 2—水库水位上升至地表以上 9m

　　在工况阶段 2 中，考虑水库水位从 2m 突然上升到 9m 的情况。边界条件保持不变，只对上游面边界的水位高程进行调整，从 2m 调整到 9m。 

1）工况阶段时间设置

　　在进行非稳定流分析之前，需指定当前工况阶段的持续时间以及渗流边界条件的加载方式（在「分析」界面左下角中设置）。在此工况阶段，设置工况阶段 持续时间为 1h（折合成 0.04167 天），渗流边界条件加载方式为“该工况内一次 添加”，如图 34.3 所示。

图 34.3  分析设置 –  工况阶段 2

注：在GEO5有限元非稳定渗流分析中，可以在当前工况内一次添加或者线性添加边界条件。在本例中，水位突然升高，因此选则第一种加载方式。

2）工况阶段 2 分析结果

　　从图 34.4 中可以很明显的看出，在如此短的时间内并渗流未达到稳定状态。 由当前浸润线标识的地下水位在坝体内仅上升了 1m。流入量（1.05+44.89 m 3/ 天/m）和流出量（0.29m 3 /天/m）的差异反映了这段时间内很高的入渗率。

图 34.4 x 向流速分布图 –  工况阶段 2

34.6  工况阶段 3~7

　　在后续工况阶段中，保持边界条件不变，分别计算 1 天、7 天、28 天、90 天和 365 天后的结果。当前工况阶段的结束时间等于当前及之前工况阶段持续时间之和，因此，工况阶段 3~7 的工况阶段持续时间分别设置为：0.9583 天、6 天、 21 天、62 天和 275 天。各工况阶段的 x 向流速分布图和浸润线位置如下图所示。

图 34.5 x 向流速分布图和浸润线位置 –  工况阶段 3（1 天）

图 34.6 x 向流速分布图和浸润线位置 –  工况阶段 4（7 天）

图 34.7 x 向流速分布图和浸润线位置 –  工况阶段 5（28 天）

图 34.8 x 向流速分布图和浸润线位置 –  工况阶段 6（90 天）

图 34.9 x 向流速分布图和浸润线位置 –  工况阶段 7（365 天）

　　从图中可以看出，最后三个工况阶段中的浸润线没有发生实质性的变化，其形状和位置几乎和稳定流情况相同。通过比较各工况阶段的流出量和流入量的差值，也可以看出最后三个工况阶段基本进入稳定流状态。从下表可以看出，在初始工况阶段，水的入渗相对较快，并且流入量和流出量在水库水位上升后的 28天到 90 天内达到平衡（稳定流状态）。

表 34.1  在特定时间内流进和流出坝体的水流总量

注：最后两个工况阶段可以认为已经达到了稳定流状态，这与第 33 章所得到的 结果是几乎一致。从表中可以看出，流出总量 2.284m 3 /天/m 和流入总量 2.286m 3  /天/m 几乎一致。

34.7  结论

　　综上，渗流 90 天后达到稳定状态，但从工程实际应用的角度来看，其实 28天后便可认为已经达到了稳定流状态，因为 28 天后浸润线的位置和形状都只发生了非常微小的变化。