發(fā)布時(shí)間：2014-07-27 11:04

　　氣脹問題是近年來造成平原水庫土工膜防滲體系破壞和失效的主要原因之一[1]，一旦發(fā)生將使水庫產(chǎn)生嚴(yán)重的集中滲漏，因此合理地布置排氣設(shè)施是土工膜防滲體系設(shè)計(jì)的核心問題。以往排氣設(shè)施的布置主要依賴于經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論指導(dǎo)，且對(duì)于復(fù)雜邊界和膜下多種介質(zhì)等問題往往無能為力。
　　國(guó)內(nèi)外對(duì)于土工膜膜下氣體傳遞和聚集的研究多集中在垃圾填埋場(chǎng)的防滲體系[2]及其排氣狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)分析[3]，對(duì)于平原水庫土工膜的氣脹探索尚不充分。ANSYS軟件發(fā)展至今已相當(dāng)完善，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱學(xué)、電磁場(chǎng)以及各種耦合場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)有限元分析，其強(qiáng)大的前、后處理功能可以方便地表述模型各點(diǎn)狀態(tài)沿時(shí)間變化的過程，并且利用物理場(chǎng)相似的原理已經(jīng)在土石壩滲流中取得了應(yīng)用[4]。本文將從非飽和土氣場(chǎng)和溫度場(chǎng)的可比擬性出發(fā)，用ANSYS熱分析模塊解決膜下氣場(chǎng)的瞬態(tài)數(shù)值模擬。
　　1. 非飽和土氣場(chǎng)與溫度場(chǎng)的相似
　　非飽和土中氣場(chǎng)與熱傳導(dǎo)問題的溫度場(chǎng)的相似性存在于基本理論、微分方程以及邊界條件等三方面。
　　1.1 基本理論相似性
　　熱傳導(dǎo)問題的傅里葉定律[5]為：
　�。�1）
　　式中為單位時(shí)間內(nèi)單位面積的熱流量；為導(dǎo)熱系數(shù)；為溫度；為方向上的溫度梯度。非飽和土中的氣體擴(kuò)散遵從的Fick定律[6]的表達(dá)形式為：
　�。�2）
　　式中為通過單位面積土的空氣流量；為土中空氣流動(dòng)的傳導(dǎo)系數(shù)；為空氣濃度；為方向上的濃度梯度。由式（1）、（2）可知，非飽和土中氣體傳導(dǎo)和溫度場(chǎng)中熱傳導(dǎo)的驅(qū)動(dòng)勢(shì)能都是濃度梯度，在數(shù)值計(jì)算中具有相同的表達(dá)形式。
　　1.2 微分方程相似性
　　三維熱傳導(dǎo)方程的表達(dá)形式為[7]：
　　（3）
　　式中為介質(zhì)比熱容；為密度；為導(dǎo)熱系數(shù)；為熱源強(qiáng)度。
　　在介質(zhì)各向同性和不考慮熱源的情況下（3）式可以簡(jiǎn)化為：
　�。�4）
　　非飽和土中非穩(wěn)態(tài)氣流的氣象偏微分方程如下：
　　（5）
　　式中為氣體孔隙壓力；為孔隙水壓力；為時(shí)間；為氣象固結(jié)系數(shù)，與傳導(dǎo)系數(shù)有關(guān)；為常數(shù)；為傳導(dǎo)系數(shù)。在各向同性問題中，筆耕論文，傳導(dǎo)系數(shù)不沿程變化，則、和為零。只取地下水位之上的土體作為研究對(duì)象，則可假定此部分的孔隙水壓力為零，亦為零，則（5）式化簡(jiǎn)為
　　（6）
　　與各向同性的熱傳導(dǎo)方程（4）一致。
　　由式（4）、（6）可知，非飽和土中氣體傳導(dǎo)和溫度場(chǎng)中熱傳導(dǎo)可以用相同的微分方程描述，因此在數(shù)值計(jì)算中屬于同一類問題。
　　1.3 邊界條件相似性
　　對(duì)于溫度場(chǎng)
　�、俪跏紬l件： ，即初始時(shí)刻溫度場(chǎng)各點(diǎn)的溫度分布；
　�、诘谝活愡吔鐥l件 ： 邊界上點(diǎn)在時(shí)刻的溫度；
　�、鄣诙�類邊界條件： 邊界上點(diǎn)在時(shí)刻熱流強(qiáng)度函數(shù)，特別地，對(duì)于絕熱邊界。
　　對(duì)于非飽和土氣場(chǎng)
　�、俪跏紬l件： ，即初始時(shí)刻非飽和土氣場(chǎng)各點(diǎn)的孔隙氣壓分布；
　�、诘谝活愡吔鐥l件：
　　邊界上點(diǎn)在時(shí)刻的孔隙氣壓；
　�、鄣诙�類邊界條件： ，邊界上點(diǎn)在時(shí)刻氣流函數(shù)，特別地，對(duì)于不透氣邊界。
　　由溫度場(chǎng)和非飽和土氣場(chǎng)的邊界條件可知，兩種物理場(chǎng)的邊界條件在本質(zhì)上也是相等的。因此在利用溫度場(chǎng)分析非飽和土氣體問題時(shí)，可以將各種參數(shù)對(duì)應(yīng)輸入進(jìn)行求解。
　　2. 應(yīng)用ANSYS計(jì)算非飽和氣場(chǎng)
　　2.1 前處理
　　ANSYS中熱分析模塊專為解決熱傳導(dǎo)問題而設(shè)置，在計(jì)算非飽和土氣場(chǎng)問題時(shí)還需做一定的轉(zhuǎn)化。在前處理中，熱分析模塊要求輸入材料的導(dǎo)熱系數(shù)（Conductivity）、密度（Density）以及比熱容（Specific Heat）。比熱容的物理意義為單位質(zhì)量物質(zhì)升高單位溫度所需熱量，其表達(dá)式為
　�。�7）
　　因此在輸入材料的比熱容時(shí)，需要考慮的是單位質(zhì)量的土體在氣體輸入時(shí)孔隙氣壓升高的能力，由理想氣體狀態(tài)方程
　�。�8）
　　可知，在體積不變的情況下土體的孔隙氣壓與體積內(nèi)空氣的物質(zhì)的量成正比，而該方程也可以寫成類似于比熱容公式的表達(dá)形式
　　（9）
　　孔隙氣壓在計(jì)算初始狀態(tài)下一般為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325kPa。在不考慮耦合場(chǎng)的情況下，為簡(jiǎn)便起見，初始狀態(tài)下單位體積內(nèi)空氣的物質(zhì)的量取亦取101.325，則土體“比氣容”可取1，其余各項(xiàng)賦值1。在ANSYS定義材料性質(zhì)、輸入邊界和荷載條件時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)的對(duì)比和輸入如下
　　表1. ANSYS分析非飽和土氣場(chǎng)輸入的對(duì)應(yīng)參數(shù)
　　在建模和劃分網(wǎng)格階段，需利用對(duì)稱原理將原本龐大的計(jì)算模型分割。在處理對(duì)稱圖形時(shí)可以將模型分割成1/2或1/4，在前處理中可使模型細(xì)節(jié)所占比例擴(kuò)大和方便網(wǎng)格細(xì)化，在后處理中也大大節(jié)約了計(jì)算時(shí)間，同時(shí)對(duì)于一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)追蹤也更為直觀。
　　2.2 后處理
　　ANSYS軟件包含了強(qiáng)大的后處理功能，為研究非飽和土氣體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。對(duì)于平原水庫氣脹現(xiàn)象的研究，在排氣設(shè)施布置、地下水位上升速率和土體性質(zhì)各不相同的情況下利用ANSYS后處理可以從不同的模型計(jì)算實(shí)例中找出各方面影響因素的重點(diǎn)，為之后的工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。對(duì)于非穩(wěn)態(tài)分析，可以通過對(duì)某一特定節(jié)點(diǎn)或單元的追蹤了解一個(gè)特定模型可能出現(xiàn)的最不利狀況及其發(fā)生位置，并對(duì)提出的防治措施提出方案比較。
　　3. 計(jì)算實(shí)例
　　某水庫地下水位為土工膜下5.0m處，經(jīng)過2個(gè)月上升至距膜下1.3m處，土的滲氣系數(shù)為0.2m/h，排氣盲溝為矩形網(wǎng)格排列，相距20m，膜上覆土壓重30kPa，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示�，F(xiàn)利用ANSYS軟件分析此問題。
 

 

本文編號(hào)：7067