滲流計算
關注創建者：孫智道 創建時間：2020-12-07
滲流計算的實例教程
問題描述：
如何在 PLAXIS 2D 中計算如下所示的二維穩態滲流問題？如何定義該問題的滲流邊界條件？
解答：
利用 PLAXIS 2D 計算如上所示的“純”穩態滲流問題，用戶可在初始階段選擇【Flow only】的計算類型和【Steady state groundwater flow】的孔壓計算類型。除此之外，該滲流問題的邊界條件可采用以下方法定義：
第一，模型中部的防滲墻應采用 界 面 單 元 而非閉合（Closed）的滲流邊界條件進行定義，后者僅適用于模型的外部邊界。利用界面單元模擬模型內部的不透水線時，用戶應在土體和界面材料的【界面】選項卡中設置橫向透水性（Cross permeability）為“不透水（Impermeable）”。同時，用戶還應注意在穩態滲流計算中勾選界面的【Active in flow】選項，否則無法激活界面的“防滲”性能。
“純”滲流問題不計算土體的變形和應力，故用戶可忽略地基以上的水閘且下部防滲墻（9m）也無需指定材料數據集，直接基于線段創建正界面或負界面即可，當然也可以同時創建正負界面。
第二，模型底部的不透水邊界既可以在【結構】模式中創建滲流邊界條件為【Closed】，也可以在計算階段的模型瀏覽器中激活模型底部的滲流邊界條件為【Closed】，后者在操作上更加簡便快捷，但與前者無本質區別。
事實上，PLAXIS 默認的【模型條件＞滲流邊界＞BoundaryYmin：Closed】即滿足不透水要求，用戶無需其余操作。需要注意的是，創建或激活的滲流邊界條件具有比模型條件更高的優先級。也就是說，當二者出現沖突時，以前者為準。
第三，模型的左側和右側是人為的截斷斷面，計算中也近似按不透水邊界處理。具體操作與底部邊界無異，此處不再贅述。
展開 2）微觀宏觀結合的滲流研究。近年來，微觀滲流的物理模擬方法和數值模擬計算都發展較快。通過微觀滲流研究能知道孔隙裂隙內的物理、化學、生物學和力學等細節，認識微觀滲流機制和規律，但是不能提供宏觀綜合數據，而后者為生產實際應用所必需；憑借宏觀滲流研究能提供宏觀綜合數據，但不知道或不確切知道孔隙裂隙內的微觀機制和規律。微觀宏觀結合可使滲流理論深化，使滲流分析計算更接近生產實際。更重要的是，微宏結合的滲流研究計算（簡稱“微宏滲流”）能夠為每一瞬間同時提供宏觀綜合數據及多孔介質內任何空間點的微觀細節，這將大大促進滲流理論和計算方法的發展并提高生產應用效果。近年來，主要由于微觀滲流數值模擬計算方法的進展，微宏滲流研究已經能夠模擬計算諸如小巖心規模的油水兩相滲流及啟動壓力梯度與孔隙內壁邊界層關系等各類問題。
3）滲流的精細研究。以石油開采為例，先是基于自然能量的一次采油，再是人工補充能量的二次采油，三是各種物理的、化學的、生物的人工方法的三次采油，然后又進行三次采油后的四次采油。二次采油后油層內的剩余油飽和度分布非常分散：從宏觀角度看，許多剩余油小塊在儲層各處不規則地隨機分布；從微觀角度看，無數極小的油膜油滴等在孔隙裂隙內隨機分布。必須盡力精細地用滲流力學方法分析計算出這些剩余油飽和度分布，才能在三次采油中經濟有效地采出剩余油。三次采油后，剩余油飽和度分布更為分散零亂，要求滲流力學提供更精細的方法計算分析剩余油飽和度分布，以便在四次采油時經濟有效地進一步采出剩余油。可見，生產發展要求我們建立非常細致、精細的剩余油飽和度分布的滲流力學理論和方法。
4）復雜多重介質滲流。現今發現的油氣儲層多重介質比以往所知的多重介質復雜很多。
展開 巖土工程有限元軟件PLAXIS從2011版開始，可以進行非飽和土滲流，并進行滲流-變形耦合計算。
有了這一功能之后，能較為方便地考慮降雨對邊坡穩定性的影響（滲流和變形耦合，安全系數計算方法為強度折減法）。另一款著名軟件Geo-Studio中，滲流計算和安全性計算是分開的兩個模塊，用戶可以先進行滲流計算、之后把結果導入安全性分析計算中（滲流和變形不耦合，安全系數計算方法為極限平衡法）。
附件的這篇文章（我是第一作者）介紹了相關理論，并提供了一個算例。在PLAXIS用戶中，我是比較早開始嘗試使用這一功能進行邊值問題計算的。
利用PLAXIS軟件計算考慮降雨的邊坡穩定性.pdf
展開 基坑降水計算，如果是穩態滲流計算，需要注意以下幾點：1，圍護結構要設置界面 2、坑底（或坑底以下0.5m）要設置地下水滲流條件（推薦方法）在工況時候激活并設置水頭 3、最容易忽略的一點是 需要將基坑內所有開挖的土體設置為干，必須注意 4 坑底至圍護結構底中間的土體，全局水位設置為內插 。
如果是瞬態滲流計算 只需要在上面基礎上，修改為瞬態滲流，并設置一下時間即可
；（3）將壩體節點編號，計算上游壩體穩定按順時針編號，X坐標方向在上游壩坡，Y坐標向下，下游壩體穩定計算按逆時針編號，X坐標方向在下游壩坡，Y坐標向下；（4）線條編號先Ⅰ區域再Ⅱ區域最后Ⅲ區域，計算上游壩體穩定按順時針編，下游壩體穩定計算按逆時針編；（5）區域編號初始點是X坐標最小點，終點是X坐標最大點，然后線條編號最小點；（6）確定壩體和壩基的三個區域中的摩擦角，粘結力，容重；（7）將以上數據編6行數據組。運行，調試，得出最小安全系數。
壩體浸潤線計算即土壩滲流計算
土壩滲流計算結果是計算壩體穩定計算的前提，所以這部分也是至關重要的。幾個常見的壩體滲流計算類型為：不透水地基上均質土壩的滲流分為有水平排水的均質土壩、有棱體排水的均質土壩、有表面排水（或無排水）的均質土壩；不透水地基斜墻土壩的滲流；不透水地基上心墻土壩的滲流；透水地基上均質土壩的滲流分為無限深透水地基上的均質土壩，有限深透水地基上的均質土壩；透水地基上有鋪蓋的土壩滲流分為鋪蓋斜墻土壩和鋪蓋心墻土壩；透水地基上有截水墻的土壩滲流。截水墻（截水槽，混凝土防滲墻，板樁，灌漿帷幕）。
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以下是PFC-Darcy雙向耦合計算滲流侵蝕的案例說明
案例說明
兩種不同直徑的顆粒組合，重力向下，滲流方向向上。
水利設計計算工具，200多個，超大容量，包括重力壩計算、拱壩計算、土石壩計算、溢洪道計算、水閘計算、渡槽計算、堰流計算、擋土墻計算、倒虹吸計算、穩定計算、引水隧洞計算、渠道計算、各類水力計算、滲流計算、浸潤線計算、河道水深計算、水損計算、洪水計算、水文計算等等一系列內容，都整理里在表格中，水利水電基本常用的工具都匯總齊全。
邊坡滲流計算邊界約束條件可設置為：垂直邊界面為固定水頭邊界，底面為不透水邊界；上表面穩定計算中為自由面，降雨滲流計算中為流量邊界，根據氣象資料降雨入滲速率取為4.3×10-6m/s。
表1 材料參數
圖 5 有限元網格
自然工況下，邊坡內部呈現明顯的飽和區與非飽和區，自由水面基本為地表以下，地下水沿邊坡底部滲流。
為了得到更真實的解答，需要首先進行滲流分析，計算降水后的孔隙水壓力，然后再進行有效應力瞬態分析。
3. 二維RD分析
下圖所示的堤壩由一種材料組成，水位將從72m降至37m(降水35m)。使用GLE/Morgenstern-Price進行分析，Duncan方法的結果為FOS=1.042, Lowe 方法的結果為FOS=1.046 。
各種結構單元的設置演示
七、3DEC靜力學分析
7.1 巖土體參數獲取與賦值
7.2 巖土體的本構模型選取
7.3 初始地應力場生成
7.4 邊界條件：靜力邊界、速度邊界、面力邊界
7.5 計算求解與結果合理性分析
: 上機操作：初始地應力場反演技術
八、3DEC流固耦合模擬入門
8.1 滲流計算基本原理
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八、3DEC流固耦合模擬入門
8.1 滲流計算基本原理
對于十分重要或地質條件復雜的水利水電樞紐，宜選取足夠大的滲流域，進行樞紐壩區的三維滲流計算，確保滿足上述三項指標。
對土石壩，還應確定浸潤線的位置。
瞬態滲流計算的兩個關鍵點
（1）荷載隨時間施加方式選瞬時施加時，才能得到孔壓、位移等隨時間逐漸穩定的過程；荷載隨時間施加為線性施加的話，孔壓從瞬態荷載步的開始到結束基本均勻變化，得不到逐漸穩定的過程，這種適合堆載預壓等荷載隨時間緩慢變化的物理過程的模擬。
