ANYSYS在求解土坝渗流问题上的应用

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翻新时间：2023-05-15

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ANYSYS在求解土坝渗流问题上的应用

摘要：本文采用的弃单元法，用ANSYS中热分析来模拟土坝的稳定渗流，求出在稳定渗流的情况下土坝的浸润面。通过浸润面的求解，可以分析空隙水在土坝中的分布，算出空隙水压力。在土坝的后续研究中，可以在ANSYS中将此力与其他工况进行耦合，为研究土坝在各种不同条件下的受力提供更精确的分析，

关键词：ANSYS，土坝，渗流

前言：

流体通过多孔介质的流动称为渗流。当地表水入渗侵入边坡后，渗流不仅对接触面有压力和浮力，而且颗粒骨架本身也受到渗透水流的浮力和拖拽作用。ANSYS作为一种常用的有限元分析软件，不能直接考虑渗流对土体的影响。目前大多数工程中在用AYSYS分析土坝综合受力时都忽略渗流的影响。本文通过ANSYS中热流场来模拟渗流场，可以方便快捷的求解出水头，为用ANASYS综合分析土坝的内力奠定基础。

2 渗流计算原理和方法

2.1 渗流计算原理

对稳定渗流计算的基本假设有：土是均质、各向同性的；土粒和空隙水都是不可压缩的；空隙水流动服从达西定律。

2.2 渗流计算方法

土坝渗流计算方法可分为流体力学解法和水力学解法两类，但广义的概念还包括图解法、数值计算法以及各种试验的方法等。对于均质土坝的稳定流问题，在已知边界条件下可以通过解拉普拉斯方程式求解，在非稳定流的情况下，理论流体力学仅对少数简单情况有效，对于较复杂的情况还需用水力学法、数值计算法或试验方法等来求解。水力学法是一种近似计算方法，基于对渗流场作一些假设和简化，对精度有一定影响。本文采用的是有限元法进行迭代计算来求解渗流场。稳定渗流有限元法计算公式：

在土坝基的渗流计算中，首先应确定渗流的浸润面。由于渗流域未知，所以求解侵润面是解决渗流的关键。本文中采用迭代来确定浸润面位置，具体步骤为：

（1）根据渗流场概念和经验假定一条浸润面，以确定有限元法的计算区域；

（2）将假定的渗流面作为边界条件，根据方程

（2）计算出浸润面上各结点的水头值；

（3）比较假定的浸润面上计算出来的水头值与其位置高程坐标，看其是否满足，

若不满足则用计算出来的水头值作为新的侵润面结点坐标，重新确定有限元计算区域。反复上述计算步骤直至浸润面上结点全部满足| | （为给定的允许精度）。

本文迭代求解渗流浸润面时采用弃单元法。弃单元法是以上一次有限元计算求得的结点为

基础，用插值法与逼近法，求出浸润面与单元边线的交点，将浸润面穿越的母单元作为变形单元，浸润面将单元分成上下两个区域。浸润面以上的区域在下一次计算中不参与算，浸润面以下为渗流计算区域，该区域逐步逼近实际渗流域，所得渗流场逐步逼近真是解。

3 算例

在建立模型中需做如下假设：

（1）假定边坡的变形和位移是微小的，作平面应变处理。

（2）模型单元采用四边形四节点单元