基于有限单元法的堤坝管涌拟流场分析及试验.pdf
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1、工程地球物理学旅Vol.20,No.3第2 0 卷第3期2023年5月中文引用格式:熊彬,黄杨,陈汉波,等.基于有限单元法的堤坝管涌拟流场分析及试验J.工程地球物理学报,2 0 2 3,2 0(3):2 97-30 3.英文引用格式:Xiong Bin,Huang Yang,Chen Hanbo,et al.Numerical modelling and experiment of flowfield fitting method for dam pip-ing leakage detection based on finite element methodJJ.Chinese Journal
2、 of Engineering Geophysics,2023,20(3):297-303.CHINESE JOURNAL OF ENGINEERING GEOPHYSICSMay,2023基于有限单元法的堤坝管涌拟流场分析及试验熊彬1,黄杨1,陈汉波1,张天宇1.,梁卓3(1.桂林理工大学地球科学学院,广西桂林5410 0 4;2.香港中文大学(深圳)城市地下空间及能源研究院,广东深圳440 30 0;3.中国冶金地质总局第三地质勘查院,山西太原0 30 0 0 0)摘要:为了深入探究拟流场的电流密度响应特征,更好地服务于病险水库隐患探测和汛期堤坝查险,从分析有限元理论开始,建立不同渗漏通道
3、模型,计算其拟流场电位进而获得电流密度的主要特征,分析不同模型对电流密度的影响。结果表明,电流密度不同分量在渗漏处附近均出现异常特征,在渗漏区域附近,电流密度分量出现双极性异常,电流密度分量出现单极值异常,电流密度之分量出现方向相反的异常情况,变化幅度较大。因此,为了更方便、有效地寻找渗漏通道,本文提出应当在水域底部布置若干条沿垂直于堤坝走向的测线测量电流密度分量,通过分析电流密度分量异常响应找到疑似渗漏点,为汛期堤防渗漏的快速排查提供理论指导。并实际应用于深圳某水库的堤防渗漏检测,圈定疑似渗漏人水口区域,经过工程验证,证实其为渗漏人水口。关键词:渗漏;拟流场法;有限单元法;电流密度中图分类号
4、:P631.3doi:10.3969/j.issn.1672-7940.2023.03.001文献标识码:A文章编号:16 7 2 7 940(2 0 2 3)0 30 2 97 0 7Numerical Modelling and Experiment of Flow-field FittingMethod for Dam Piping Leakage Detection Based on FiniteElement MethodXiong Bin,Huang Yang,Chen Hanbol-2,Zhang Tianyul-2,Liang Zhuo3(1.College of Earth
5、Sciences,Guilin University of Technology,Guilin Guangri 541004,China;2.Institute of Urban Underground Space and Energy Studies,The Chinese University of HongKong(Shenzhen),Shenzhen Guangdong 440300,China;3.The Thiro Grological Erploration Institute,China Metallrgical Geology Bureau,TaiyuanShanci 030
6、000,China)收稿日期:2 0 2 2 12-2 1基金项目:国家自然科学基金(编号:42 17 40 8 0);广西自然科学基金(编号:GXNSFGA380004)第一作者:熊彬(197 4一),男,博士,教授,博士生导师,主要从事电磁场理论及反演成像方面的教学与科研工作。E-mail:x i o n g b i 通讯作者:陈汉波(1990 一),男,博士,讲师,主要从事电磁场数值模拟与反演成像研究工作。E-mail:298Abstract:In order to further explore the current density response characteristics
7、of the flowfield fitting method(FFFM),better serve the hidden danger detection of the dangerous res-ervoir and the inspection of the dam in flood season,starting from the analysis of the finiteelement method(FEM)theory,different dam piping leakage models are established,and theFFFM potential is calc
8、ulated to obtain the main characteristics of the current density,andthe influence of different models on the current density is analyzed.Different components ofcurrent density show abnormal characteristics near the dam piping leakage area.Near theleakage area,the a component of current density show
9、bipolar anomaly,the y component ofcurrent density showed unipolar anomaly,and the&component of current density shows ab-normal situation in the opposite direction,with a large range of change.Therefore,in orderto find leakage channels more conveniently and effectively,this paper proposes the measure
10、of the&component of current density by laying several survey lines perpendicular to thetrend of the dam at the bottom of the water area,and identifies the suspected piping leakageby analyzing the abnormal response of component of current density,which provides theo-retical guidance for the quick inv
11、estigation of piping leakage in flood season.After delinea-ting the suspected leakage inlet area,this method is applied to the piping leakage detection ofa reservoir in Shenzhen,confirming the leakage inlet through engineering verification.Key words:piping leakage;FFFM;FEM;current density1 引 言截至2 0
12、2 0 年底,全国已建成5级及以上江河堤防32.8 万km,累计达标堤防2 4.0 万km,堤防达标率为7 3.0%1,2 7.0%的堤防存在渗漏隐患。堤防工程中常见的隐患包括天然地质缺陷、施工中的质量缺陷、生物破坏造成的洞穴、裂缝及修补时的人为薄弱环节等2 ,每年汛期,这些隐患容易诱发管涌、漫顶、散浸、滑坡、崩岸、塌等险情。为了及时查明隐患,预先排除险情是堤防工程中迫切要解决的问题。目前,堤坝渗漏检测的主要技术还是依据各种物探手段3-9,如地球化学、面波法、瞬变电磁法、高密度电法等10-16 。流场法是中南大学何继善院士提出的一种堤坝管涌渗漏探测新方法17,其原理是在背水面的堤烷和迎水面的水
13、中同时发送一种人工信号特殊波电流场去拟合并强化异常水流场的分布,通过分析电流场的分布来查明水流场的动向。由于流场法侧重于探测管涌渗漏的人水口部位,因此它的探测结果可以直接用于汛期堤防管涌渗漏的封堵,为在汛期从根本上消除管涌渗漏的危害提供经济、快速的技术工程地球物理学报(Chinese Journal of Enginering Geophysics)产提供了可靠的技术保障。近年来,学术界对于堤防渗漏隐患的研究已经非常丰富,但结合具体的研究成果来看,这些研究内容更多地专注于对后期的数据处理方面。本文在研究过程中,利用有限元方法对不同模型进行分析,总结出汛期快速检测渗漏入水口的测量方式,即在水库底
14、部设置测线测量电流密度之分量,通过分析电流密度分量的异常响应推断渗漏人水口处位置,并应用在深圳某水库堤防的渗漏通道人水口检测的实例中,圈定了疑似渗漏人水口区域,经过工程验证,证实其为渗漏人水口。第2 0 卷支持。戴前伟等18 1利用伪随机流场法与双频激电法对深圳某水库进行综合勘探,有效排除了金属管对解释带来的困难。白广明等19 建立拟流场数学模型,并用有限单元法计算得到拟流场电位、电场强度及电流密度分布图,为数据解释提供了指导建议。房瑞等2 0 1通过研究发现,采用接近拐角频率的10 2 4Hz伪随机信号能够获得了更稳定的数据,且异常响应明显,抗干扰能力强。何继善院士2 1采用广域电磁法和流场
15、法组合,准确获得了矿区地下采空区和水害分布,为矿区安全生第3期22有限元原理拟流场法有限元三维模拟中,电位u满足边值问题:(V.(Vu)=-2I(A)u E,au=0uET.an(1)2u+cos(r.n)=0Lan式中,u为电位,单位为V;。为地下介质电导率,单位为Sm;I 为供电电流强度,单位是A;n为界面外法线方向;I。当无穷远边界;r为点电流源A到。的距离,单位为m;2.为计算区域;I,为地面。将边值问题转化为变分问题:a(Vu)-21a(A da+F(u)2cos(rmudr12(F(U)=0将计算区域剖分成若干个四面体单元,如图1所示为节点局部编号示意图,将泛函问题离散化。123图
16、1剖分的四面体单元节点编号示意图Figl Diagram of node numbering of a tetrahedral elementN1F(u)212其中,N。为单元个数;2。为单元区域;I。为无穷远边界单元区域。单元内节点以外的电位使用线性插值得到:u=Niui+N2u2+Nsus+N4us(4)熊彬,等:基于有限单元法的堤坝管涌拟流场分析及试验uET。(2)r4(Vu)d2-2I(A)u+cos(r.nudr299式中,N;(i=1,2,3,4)为插值形函数;u;(i=1,2,3,4)为节点单元电位。将插值函数代人离散公式,化简后得:其中,k。为单元系数矩阵,组装单元系数矩阵得到
17、总体系数矩阵方程如下:KU=P其中,K是总体系数矩阵;P=(0.0UA.)为源项,其中UA=I(A)。本文采用压缩行方式(CRS,Co m p r e s s e d Ro wStorage)存储稀疏矩阵以节约空间,使用不完全柯列斯基分解(Cholesky)共轭梯度法求解式(6)大型线性方程组获得所有网格节点上的电位u。由下式计算电流密度响应:J=-Vu式中,J为电流密度,单位为Am。3模型算例3.1正常堤坝模型对正常堤坝电流密度背景场特点和规律进行分析,有助于后续对电流密度各分量异常的分析。图2 为正常堤防模型截面图。堤坝0_N-1000Fig.2 Section view of the d
18、am model without假设堤防模型由堤身、基岩和水体组成,堤顶高12 m,堤底部宽52 m,水体深度为10 m,各项参数具体如表1所示。表1堤坝模型各项参数(3)Table 1Parameter of the dam modelp/Q m坝前水域20坝体1000渗漏通道20基岩2000(5)(6)(7)水体10m基岩148200y/m图2 正常堤防模型截面piping leakage宽/m2002001200长/m2005252148高/m101211003002.u.Vu/0.00-0.05-0.10-0.15-0.205200406080100120140160180 x/m(a
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