有限元在岩体渗透参数反演中的应用

杜 万 军

(杨凌职业技术学院水利工程学院，陕西 杨凌 712100)



有限元在岩体渗透参数反演中的应用

杜 万 军

(杨凌职业技术学院水利工程学院，陕西 杨凌 712100)

观测了大坝枢纽施工前期钻孔水位的分布情况，采用试算方法并结合有限元数值计算软件，分析了整个枢纽区渗流场的分布状况，并反演得出与实际工况相吻合的枢纽区岩体的渗透参数，从而为后期枢纽施工期和运行期渗流场的分布以及防渗和排水措施的布置提供计算依据。

钻孔水位，试算方法，有限元，渗流场，渗透参数

在水利工程中，岩体渗透参数的确定通常要根据某些已知观测区域的位移大小或者受力等因素反算参数，作为设计与计算的前提和依据。但岩体相关参数结构复杂，室内实验由于尺寸效应的存在导致了很多不确定因素，现场取样数目不一定能完全反映整个枢纽区岩体的实际参数。采用反演分析方法，往往可以综合考虑真实的地质条件，从而比较精确地得到岩体相关参数。通过建立岩体蠕变模型的参数解析[1]，得到岩体压缩蠕变系数。也可以联合BP网络[2-4]特有的岩石渗透参数计算方法，确定一些影响敏感性的变量类型[5,6]。应用复杂的非线性函数[7,8]，结合免疫系统原理对算法进行优化，可反演得到围岩的相关参数。在地质、水文资料和枢纽区钻孔实测结果基础上，结合有限元法[9，10]对渗流场进行反演分析，就可以得出不同覆盖层岩体的渗透参数。

有限元计算软件ADINA拥有强大的三维建模和后处理功能，再结合实测水位和计算水位进行最小二乘拟合来反演渗透参数，可以比较真实的反映枢纽区初始渗流场的分布情况。

1 渗流参数反演分析模型建立

某水利枢纽，天然渗流场参数反演三维有限元模型以顺河向由左岸到右岸为模型的X轴正方向，横河向由上游指向下游为Y轴正方向，Z轴竖直向上。

有限元模型计算范围如图1所示。

1)沿高程方向(Z方向)：模型底部最低边界条件是海拔1 600.0 m高程位置，即从坝基开挖处向下大约2倍大坝高；顶部地表最高高程为2 048.4 m；

2)顺河向(Y方向)：有限元模型计算范围从坝轴线向大坝上游取3倍坝高位置，向下游取6倍坝高位置，模型总长为692 m；

3)横河向(X方向)：有限元模型计算范围从河床中心向两侧到左岸和右岸各取7倍和6倍的坝高，该方向总长为950 m。

按照前期地质资料勘察结果，实际计算区域主要包括河床冲积形成的砂卵砾石层、岸坡冲洪积形成的含漂石卵砾碎土石、枢纽区左岸岩体卸荷带、强风化区和弱风化区、基岩层。所以模型主要包括河床和两岸山体，有限元计算模型都采用8节点的等参单元网格。这样划分网格能够尽可能保证有限元渗流计算的精度和收敛性，模型共剖分53 450个单元，58 548个节点。主要模拟上述六种不同渗透特性的地质条件，各部位及材料分区见图2～图6。

2 计算原理及基本假定

采用“反问题正算法”对该水电站枢纽区渗流参数进行反演，利用不同渗流参数进行试算，把有限元计算结果和实测浸润面误差最小值作为最佳反演参数，其反演流程见图7。

计算模型边界条件：

1)实测钻孔水位作为第一类的水头边界条件；由于模型最左和最右两侧都不处在地下分水岭，所以作为已知静水头(第一类)水头边界条件，水头大小等于实测水位线。

2)第二类(已知流量)边界是有限元模型最左右两侧的地下分水岭和其实测浸润面，此时渗流量记为零。

模型的渗透参数和实测渗流参数存在差异，枢纽区的渗透参数反演分析的拟合取值范围根据差异的大小确定的模型渗透参数取值范围和试算初值如表1所示。

表1 反演分析拟合模型渗透系数取值范围和试算初值 m/s

3 渗流参数反演分析结果

通过有限元和最小二乘法综合分析，该枢纽区岩体参数的最佳拟合结果见表2，表中相对误差等于绝对误差与总水头(所取计算区域最大水头1 928 m和最小水头1 878.5 m的差值)的比值。总水头分布图见图8，浸润面分布图见图9。

分别取三个不同钻孔位置断面作为计算条件，拟合水位和计算结果如表2所示。横Ⅲ剖面、横Ⅵ剖面、横X剖面浸润面拟合实测比较图见图10～图12。最佳拟合模型渗流参数见表3。

表2 各钻孔水位拟合误差

表3 最佳拟合模型渗流参数 m/s

综合分析以上反演结果，可以得出：

1)采用三维有限元和最小二乘法相结合来进行渗透参数的反演分析，不但可以对整个枢纽区地质条件进行模拟而且可以计算浸润线的变化，并通过有限元输出结果做动态拟合，得到了与实测值比较一致的渗透参数。

2)各计算位置水位的最佳拟合结果均略低于实测钻孔水位，而且河床距离左右边界越远，其产生的相对误差就越大，最大误差出现在右岸，大小为3.87%。这说明虽然采用有限元模型进行计算可以比较宏观性的反映出枢纽区渗透特性，但拟合的水位仍然比实测总体偏低。可能由于三维模型建立过程中的不完整，导致了某些局部小区域渗透参数在计算中没有反映出来所造成。

3)模型的建立和简化应该尽可能反映真实的枢纽区地质情况，因为本次计算模型没有考虑到较大裂隙对渗流场的影响，所以计算结果会略有偏差。

[1] 向 文,张强勇,张建国.坝区岩体蠕变参数解析——智能反演方法及其工程应用[J].岩土力学,2015,36(5):1505-1512.

[2] 周 敏,代永新.渗流参数的反分析及其工程应用[J].矿业快报,2003,4(4):94-96.

[3] 田明俊,周 晶.岩土工程参数反演的一种新方法[J].岩石力学与工程学报,2005,24(9):1492-1496.

[4] 朱士江,杨永恒,于勇军.电站尾水渠施工期渗流场数值分析[J].华北水利水电学院学报,2010,31(2):20-22.

[5] 盛金昌,速宝玉,詹美礼.三维天然渗流场反演分析及工程应用[J].岩石力学与工程学报,2003,22(2):203-207.

[6] 李守巨,刘迎曦,王登刚,等.基于神经网络的岩体渗透系数反演方法及其工程应用[J].岩石力学与工程学报,2002,21(4):479-483.

[7] 高 玮,冯夏庭,郑颖人.地下工程围岩参数反演的仿生算法及其工程应用研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(S2)：2521-2526.

[8] 韩立炜,李宗坤,王建有.最小二乘支持向量机参数反演方法及其应用[J].水利水电科技进展,2009,29(1):221-223.

[9] 祁 涛,张均锋.某水电站坝址区三维渗流参数反演[J].岩石力学与工程学报,2005,24(20):3766-3770.

Application of finite element method in rock mass seepage parameter inversion

Du Wanjun

(College of Hydraulic Engineering, Yangling Vocational & Technical College, Yangling 712100, China)

In the early stage of dam foundation construction, observation of the distribution of drilling water level, using the method of trial calculation and the finite element numerical simulation software, this paper analyzes the distribution of seepage field in the whole pivot area. It is found that the seepage parameters of the rock mass in the pivotal area coincide with the actual working conditions, which provides the basis for the distribution of the seepage field and the layout of the seepage prevention and drainage measures during the construction and operation period.

drilling level, trial method, finite element, seepage field, seepage parameter

1009-6825(2017)12-0070-03

2017-02-11

杜万军(1987- )，男，助教

TU452

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