基于能量损失率最小原理求解稳定渗流场渗流参数

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基坑的降水过程会影响基坑周边区域原有的水-土应力平衡,导致降水形成的渗流区域内渗流参数发生变化,若参数变化过大,会影响施工安全。为了避免因降水出现的问题,在基坑开挖之前,需要一个准确、合理的降水方案,而降水方案的设计离不开有效准确的渗流参数。目前国内外对渗流参数的求解一般是基于试验方案和Dupuit方程,存在成本较高、场地条件限制以及未考虑水跃现象等问题。实际的降水情况会使整个渗流域内的能量损失率最小,即在单位时间的渗透力做功最小,因此提出了基于能量损失率最小原理求解稳定渗流场渗流参数的计算方法,研究的主要内容如下:
  (1)提出了基于能量损失率最小原理求解稳定渗流场渗流参数的有限单元法。当基坑降水达到控制水位后,渗流场变为一个由上游水位、下游水位、浸润曲线和水跃区段组成的稳定区域。利用有限单元法对渗流区域进行剖分,由降水井井壁水位位置逐层向上游原始地下水水位推进,通过能量损失率最小原理计算渗流区域内任一点的水头、水力坡降、渗透力、土体有效应力等渗流参数,为后续进行土体变形计算以及降水方案的设计提供数据参照。
  (2)提出了计算稳定渗流场等效渗透系数的有限单元法。在均质潜水含水层内建立降水计算模型,当基坑降水达到控制水位后,实际的降水情况会使整个渗流域内的能量损失率最小。将求解等效渗透系数的问题转化为求解渗流域能量损失率最小值的问题,利用能量损失率最小原理计算潜水含水层的等效渗透系数。
  (3)本文在求解渗流参数时考虑了水跃现象,解决了Dupuit方程未考虑此现象这一问题。此外利用Fortran软件,对两种求解情况分别编写了应用程序,并计算了多个实际工程案例,将所得到的计算结果与理论解、工程实测值进行对比,对比结果表明本文计算结果更接近实测值。
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