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排水孔是水利工程与土木工程中一项关键的渗控措施,其设计的合理性以及分析计算的精确性直接影响到工程的安全和投资,并且也是安全监测、诊断和反馈的重要依据。然而目前对排水孔的模拟计算仍处在发展阶段,实际应用中存在计算量大或精度低的问题。 本文在现有的排水孔模拟方法基础上,以“空气单元法”为基础,结合以“缝代孔法”,开展了深入研究,得到了一种较高效率和精度的方法---“以板代孔法”。主要成果归纳如下: 首先,通过数值模拟方法,分别研究排水孔孔深、排水孔间距以及排水孔直径对排水孔排水效果的影响,得到上述三种因素对排水孔实际排水效果影响的差异性。可以看到:排水孔深度、排水孔间距对排水效果的影响较大。但两者之间的影响也是有所不同,当排水孔深度小于30m,排水孔深度对排水效果影响很大,但深度大于30m之后,孔深对排水效果的影响逐渐减弱。而排水孔间距越小,排水孔越密,排水效果越好。不同于以上两个因素,排水孔直径对排水效果影响较小。排水孔直径的设计应以工程防堵及便于清淤为前提,从经济效益出发,无需过多考虑其对排水效果的影响。在排水孔设计时考虑这些差异,从而能够得到安全而又满足造价要求的排水孔设计。 其次,文章以“空气单元法”为基础,给排水孔赋予一定的渗透系数,用以表征其排水作用,将其像渗流计算域中其他土体、岩块单元一样加入到传统的有限元渗流计算方法中。并且将广为采用的“弃单元法”作为基准,对比“空气单元法”的模拟结果,得到满足工程误差要求内的排水孔直接模拟渗透系数的取值范围:因为排水孔分为两种形式,其中一种是孔口出流式,在有限元模拟计算中排水孔的渗透系数取大于周围岩体或土体渗透性的1000倍;另一种是孔底出流式,排水孔的渗透系数为周围岩体(土体)渗透渗透系数的126-500倍来模拟排水孔的作用。 然后,利用“以板代孔法”,将岩体或土体中排水孔幕概化为一条等效的排水板,依据流量等价原则,以排水孔排水流量为纽带,得到排水孔间距与排水板的渗透系数之间的对应关系,将此关系绘制成得两者等效转换图。此后改变模型两侧的水头,得到不同工况下两者之间的转换图,对比发现两者之间的转换关系是固定的,不会随水头而产生变化,以此增加了“以板代孔法”的适用性。而后将此方法和排水孔直接模拟法引入到理想模型中,对比两者模拟结果从而验证“以板代孔法”的精确性。进而得到了模拟水利工程中排水孔幕的一种简单而有效的新方法。 最后将“以板代孔法”应用到工程实例中,验证了本文研究成果的合理性,以及研究方法的可行性。