数值模拟尾矿坝Thermal-Seepage政权考虑相变

文摘

问题的陈述。本文描述的问题结合thermal-seepage政权为地球大坝和那些在冻土条件下操作。这个问题可以使用有限元素法来解决基于当地的变分公式。结果。thermal-seepage政权数值模型已经开发了“坝基系统的尾矿坝。热质传递的影响以及在土壤空隙液体相变大坝状态估计。后续考虑这些因素的研究一直在进行。结论。研究的结果temperature-filtration条件结构的基于热质转移的因素和液相转变表明,计算结果符合现场数据。忽略这些因素或其中一个扭曲了大坝的实际情况thermal-seepage条件。

1。介绍

今天,集约发展北部地区的西伯利亚和远东地区的俄罗斯与剥削他们的丰富的自然资源。这种发展需要操作的已建水利工程结构的能源和矿产行业,供水设施,建设新的。因此,我们需要处理的问题建设冻土条件(1- - - - - -3]。地球堤防和水坝是最常见的水利工程结构中使用的永久冻土条件(1,3]。无故障运行所需的这些结构取决于遵守thermal-seepage坝基系统的政权(2- - - - - -4]。

任何干扰这种模式可能会导致紧急甚至结构的崩溃(4- - - - - -7]。据专家们说,大约50%的地球3日和4日类别低水头大坝建在严重的气候条件受损的前三年操作期间由于thermal-seepage政权干扰(4]。

当设计地球水利工程结构在冻土条件下,极其重要的任务的可靠测定thermal-seepage政权坝基系统的。在大多数情况下,建筑面积非齐次的岩土环境地质和冷冻和解冻层分层组成。为了确定确切的渗流模式在水利工程结构基础上,常常需要解决空间三维问题[8- - - - - -11]。在某些情况下,渗流热效应可能导致负面后果,比如增加土壤渗透率和储层渗流损失,减少冻结岩石的承载力,渗流失败(1]。

因此,设施位于该地区的冻土发生,处理的问题结合实际thermal-seepage政权基于热质转移和相变的现象,其结果是被认为是在设计。

在俄罗斯和国外有很多科学研究致力于渗流的计算问题,热,结合thermal-seepage政权地球的水坝和他们的基础12- - - - - -16]。近年来,数学模型被广泛用于这些目的5,13,16- - - - - -18]。然而,大多数软件系统包括工业的处理温度和渗流问题没有两个过程的相互作用[8,19- - - - - -23]。此外,液体相变的影响在不同土壤上thermal-seepage政权形成并不完全清楚。因此,需要进一步在这方面的科学研究包括计算方法改进是相当明显的。这项工作的目的是提高计算方法thermal-seepage政权坝基系统的基于热质转移和相变在土壤空隙。

2。方法

对于经典的模式,温度问题(Stephen)没有热质传递的渗流微分方程可以解决的(1]: 在哪里 是一个温度的函数;是一个时间;,,温度导热系数- - - - - -, - - - - - -,方向。

方程组描述大坝热状况考虑渗流水的温度的热质传递理论: 在哪里 是一个基础或大坝材料温度; 是一个渗流水温;是一个时间;,,坝体和基础材料的导热系数温度- - - - - -,- - - - - -,- - - - - -的方向;,,渗漏率在- - - - - -,- - - - - -,的方向;和之间的换热系数是描述材料坝或基金会和过滤水的毛孔。这些系数确定从以下附件: 在哪里是一个体积换热率指定大坝或基础材料和环境之间的热交换水;和是水和固体的体积比热;和是水和固体密度。

方程组的解(2)描述渗流水温的变化经过坝体和基础材料。每个空间点中热量交换的特点是体积换热率。水温的计算不使用系数由于微不足道的导电导热性转移。

如果方程组(2)被认为是对土壤孔隙度,然后更改集(5] 在哪里土壤孔隙度。

如果问题包含了坝体材料或地基土温度等于渗透水的温度,然后结合问题是Fourier-Kirchhoff方程的解决方案(5]: 在哪里

与最小孔隙度、土壤(5)改变

寻找解决组合thermal-seepage问题来求解微分方程(5),(7))的面积与渗漏液体流动和(1)无渗漏。

微分方程的解决方案来最小化的功能(5]。标准形式的(7基于边界条件)和相变是下面的: 在哪里 是一个标量的渗流速度矢量在吗- - - - - -,- - - - - -,方向与温度梯度; 表面有指定的第二和第三类边界条件;的温度阶段转换。

该方法计算结合thermal-seepage方程基于热质传递和相变实现了作者FILTR_FAZ软件系统。这个软件允许解决经典的过滤任务和热传导问题,以及获得复杂的综合解决方案。到目前为止,也有普遍的工业计算机系统(如ANSYS [20.Feflow), ANSYS CFD,大富翁排名,和Plaxis流),但与此同时,他们的使用是只能寻找最简单的经典解决方案。不考虑复杂的物理过程发生在永冻层,使用FILTR_FAZ作者研究了水利工程结构的thermal-seepage政权在永冻层(例如,5])。下面的这些研究给出了一些结果。

2.1。问题陈述和内容

设备是一种解冻液压填充坝的设计。大坝上游填补竖立的聚合,而下游一个充满土壤从开坑。下游面系通过开采岩石的有效厚度3.5米。中细砾固步自封用作防渗截止。

结构是建立在严重的气候条件。冬季平均温度是- 24.8°С和夏季温度+ 15.6°С。记录的绝对最小值是- 44°С,绝对反常的最大+ 33°С,积雪深度超过1米。地基冻土厚度超过100米。每年平均气温(根据现场研究)的范围内1.0 - 1.5°С。

筑堤的高度是72.00米的边缘海拔360.00米。大坝预计将超过2032年的优势海拔370.00米。因此,结构高度将达到82米。这个工厂属于1类重要性。

3 d仿真数学模型,确定了组合thermal-seepage政权的工具(见图1)。这个模型描述了一个土坝,保留棱镜,排水系统,降低操纵盆地,池塘海滩。

结合thermal-seepage政权被一种改进的计算程序使用FILTRT_FAZ和FILTR软件系统(5]。间隙水的相变和热质传递的方向渗流计算中考虑。多用途工业软件ANSYS APDL数学模型被用来分析过程的渗流政权。

这项研究的目的是确定合并后thermal-seepage政权在3 d模式基于热质转移的现象和相变之日起10年内设备安装的设计高程370.00米。

分析结构条件下,解决以下问题:渗流问题设计面积2.5公里²;温度问题在其经典模式;结合thermal-seepage问题由于考虑渗流热质转移;结合thermal-seepage问题基于热质传输间隙水的渗流流动和相变。

2.2。渗流问题的解决方案

进行校准测试初始阶段确定的位置抑郁模型中曲线类似于压强计阅读。计算被用来确定渗透系数保留棱镜和铺平种毯子。研究结果表明,留住棱镜是最有可能在上游端泥封,和,因此,两个渗透系数是用于计算;也就是说,泥封的部分是50米/天其他部分种的毯子是100米/天。大坝的渗流计算结果部分1 - 1图所示2。

渗流机制的计算基于经典的模式表明,主要的渗流是直接通过左岸拱座(见图3字段数据),这是证实。

为了更准确地确定抑郁表面的位置,这是确定迭代有限元网格的控制在预期的位置。

渗流政权纠正每个阶段时间是基于前一个阶段的热状况的变化。的降低值得到的元素,其温度的热方程值的范围内- 1.0°С和低于设定的绝对封闭层气温为零下0.5 - 1.0°С。然后进行修正计算。由此产生的渗流速度在每一个阶段被用来确定结构thermal-seepage政权。

2.3。热解决方案基于热质传递和相变问题

初始和边界条件设置为解决热的问题。初始条件(土壤温度分布计算)是根据现场数据作为今年的11月。对流换热的情况(第三类边界条件)是根据土壤空气接触。月平均空气温度在表1。第一个类别边界条件, (是- 1.5°С和冻土的温度),是在永冻层的位置。绝对保温是根据设计区域的边界(第二类别边界条件)的特殊模式。第一个类别边界条件, ,在那里水温在每一个设计,是根据指定的土壤空气接触。

每个月thermal-seepage政权先后被计算出。

热的问题是解决几个阶段10年段结构操作。绝对温度的解决方案的问题是在第一阶段获得的不考虑热质传输和相变。大坝的温度模式我节,11月3日和10年的操作如图4。

在这种情况下,冷冻的核心温度0到- 0.5°С(高于坝体)是在中心形成解冻大坝由于边界条件的设置根据字段数据。下游面临冻结冻土岩石顶部形成一个负温度场在下游端。

根据土壤中温度分布的身体,可能得出的结果的经典模式热问题不符合字段数据。温度计位于波峰记录积极土壤温度范围从0到+ 0.5°С。渗流问题的解决方案这个选项显示表面的渗流量发生的下游的脸,也就是说,在该地区的季节性冻结/解冻。这一事实也不符合真实渗流机制的模式。

联合thermal-seepage问题的解决方案被认为是在第二阶段基于热质转移现象。温度分布模式部分对应字段的数据是根据计算获得的结果(见图5)。正面温度场从0到+ 0.3°С形成的大坝中心,但解冻核心之间的温度场和留住棱镜几乎不变。这是由严重暴露在冬季负温度导致冻结土壤的身体在下游的脸。因此,渗流量仍被困在大坝中心,形成“口袋”的地方。沿着下游的土壤解冻在夏天的脸,高渗流发生和它没有负面影响温度场平稳流动。

除霜效果由于热质转移发生在季节性融化面积。相比之前的选项,这个区域大小的增长,但它完全冻结在冬天。

在最后阶段的计算,结合thermal-seepage问题已经解决了基于相变粘性水在土壤中(见图6)。

在第一年,而考虑相变时,土壤的身体将解冻大坝中心(如确认仪器阅读)。解冻区域与通过渗流层下形成的季节性冻土。季节性冰冻地区的厚度是3.5 - -3.7米,符合本地区的气象资料。

下游脸上的冷冻区形成在初期逐渐消融的影响下传热传质转移和内聚水的相变。自从地基土的特点是温度从- 1.0 - 1.5°С,热量由土壤解冻的渗流是充分的。基于结构是由解冻类型设计的,此操作模式对应的设计。

留住棱镜冻土解冻是观察到下游面临10年的操作造成额外的设置。最广泛的温度变化是观察到坝前6 - 7年的操作,然后温度场趋于稳定。然而,一些地方的负面解冻温度的身体保持十年的大坝操作。

定义的关键特性在设计研究冻土的快速降解的方式接近土壤的相变温度;它可以解释为不完整的水冻结在色散冻土的概念(24,25]。在任何温度上升(包括负场),冻土解冻。这种现象造成事故的很多建筑建在冻土条件。

问题解决方案的结果与现场数据获得在一个大坝温度对2015表2。

区别获得数据和仪器读数是0.5°С最大,小于0.1%的年度变化幅度。在考虑相变时,坝体的土壤条件可能完全决定与其它解决方案。

以下的结论是由基于计算研究的结果:

()改进的计算方法和软件系统FILTRT_FAZ由作者允许处理结合thermal-seepage问题基于热质转移和相变的现象。

()研究的结果temperature-filtration状态结构的基于热质转移的因素和液相转变表明,计算结果符合现场数据。忽略这些因素或其中一个扭曲了大坝的实际情况temperature-filtration条件。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

引用

1. l . n . Rasskazov: a . Aniskin诉诉Malakhanov, a . s . Bestuzheva m . p . Sainov,诉诉Tolstikov Gidrotekhnicheskie sooruzheniya (rechnye)。[水工建筑物(河)]。莫斯科,ASV, 2011,第581页。
2. s . n . Guzenkov d . v . Stefanishin o . m . Finogenov和s . g . 'man倒下,Nadezhnost”khvostovykh khozyaystv obogatitel 'nykh织物(可靠性尾巴农场加工厂),别Vezelitsa俄罗斯,2007年。
3. r .诉张”,监测中小冻土路堤大坝在气候变化,“科学在寒冷和干旱地区》第六卷,没有。4、348 - 355年,2014页。视图:谷歌学术搜索
4. r . v . Chzhan”Geokriologicheskie printsipy raboty gruntovykh plotin v kriolitozone usloviyakh menyayushchegosya klimata [Geocryological冻土路堤大坝运行原理在气候变化),“基本'nye Issledovaniya(基础研究),以9卷,第296 - 288页,2015年(俄罗斯)。视图:谷歌学术搜索
5. n . a . Aniskin”Temperaturno-fil 'tratsionnyy rezhim osnovaniya我plotiny Kureyskoy GES vo vtorom pravoberezhnom ponizhenii Temperature-filtration模式的基础和第二右岸大坝Kureiskaya HPP降低],”莫斯科国立大学的土木工程学报》(Vestnik MGSU],43-52,2006页。视图:谷歌学术搜索
6. m·福斯特,r、m . Spannagle“路堤大坝失败和事故的统计数据。”加拿大岩土期刊,37卷,不。5,1000 - 1024年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. a . a .总编、s p . Doroshenko和a . l . Nevzorov“地球的冻融过程对边坡稳定的影响结构在寒冷的气候,”学报第三运输土工技术国际会议上,ICTG 20162016年9月,页682 - 688。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. n . a . Aniskin和a·s·安东诺夫“发展geo-seepage模型求解渗流问题的大型水坝的根基在ANSYS APDL机械的一个例子,“先进材料研究——反式科技出版物——瑞士卷,1079 - 1080,198 - 201年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. 问:陈和l . m .张”三维分析水渗透到Gouhou使用saturated-unsaturated堆石坝渗流理论,“加拿大岩土期刊,43卷,不。5,449 - 461年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. w·d·利亚姆•芬恩”通过大坝渗流的有限元分析,”土力学和基础部门杂志》上,卷93,不。6,41-48,1967页。视图:谷歌学术搜索
11. g . Rakhshandehroo和a . Bagherieh”三维渗流的分析15-Khordar大坝蓄水后,“伊朗科技期刊、事务B:工程,30卷,不。B1, 135 - 142年,2006页。视图:谷歌学术搜索
12. e . n . Bereslavskiy”Matematicheskoe modelirovanie费尔'tratsionnykh techeniy pod gidrotekhnicheskimi sooruzheniyami[过滤水流在水利工程结构的数学建模),“Nauchnye Vedomosti BelGU (BSTU简报》),5卷,页32-46 2009(俄罗斯)。视图:谷歌学术搜索
13. d·a·维多“Matematicheskoe modelirovanie temperaturnykh珀里年代uchetom fazovykh perekhodov v kriolitozone[与相变温度场的数学模拟冻土地带),“Nauka我Obrazovanie(科学教育),4卷,页1-26 2012(俄罗斯)。视图:谷歌学术搜索
14. ”o . k . Markhilevich Primenenie metodov modelirovaniya geofil 'tratsii pri proektirovanii gidrotekhnicheskikh sooruzheniy[应用程序模拟的方法geofiltration水工建筑物的设计),“Gidrotekhnicheskoe Stroitel 'stvo(水工构造物)4卷,第72 - 61页,2009年(俄罗斯)。视图:谷歌学术搜索
15. B . Bussiere r . p . Chapius和m . Aubertin”不饱和流模型暴露和覆盖尾矿坝/ B。Bussiere, r。Chapius”《ICOLD会议,蒙特利尔,加拿大,2003。视图:谷歌学术搜索
16. s . Yousefi a . Noorzad m . Ghaemian, s . Kharaghani“路堤大坝的渗流调查使用温度场的数值模拟,”印度科学和技术杂志》上》第六卷,没有。8,67 - 78年,2013页。视图:谷歌学术搜索
17. e . n . Gorokhov“虚拟'nye 3 d-modeli temperaturno-kriogennogo rezhima gruntovykh plotin v kriolitozone [temperature-cryogenic政权的虚拟三维模型在冻土路堤大坝),“Privolzhskiy Nauchnyy Zhurnal (Privolzhsky科学杂志),3卷,第193 - 188页,2012年(俄罗斯)。视图:谷歌学术搜索
18. s . a . Sazhenkov”Issledovanie zadachi Darsi-Stefana o fazovykh perekhodakh v nasyshchennom poristom grunte [Darcy-Stefan在相变问题的饱和多孔土壤),“Prikladnaya Mekhanika我Tekhnicheskaya Fizika(应用力学和技术物理杂志》)4卷,第93 - 81页,2008年(俄罗斯)。视图:谷歌学术搜索
19. k . a . BasovANSYS: Spravochnik波尔'zovatelyaDMK出版社,莫斯科,俄罗斯,2005年。
20. ANSYS机械APDL,文档。互联网:http://www.ansys.com。
21. a . Kamanbedast和a . Delvari”分析土坝的渗流与稳定使用ansys和geo-studio软件,”世界应用科学杂志,17卷,不。9日,第1094 - 1087页,2012年。视图:谷歌学术搜索
22. l .元,j . Lei“渗流特征的分析尾矿FLAC 3 d数值模拟,”土木工程》杂志上9卷,第407 - 400页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. 赵x x、b . l . Zhang和z . m .王”通过土坝稳定渗流分析的基于ANSYS / APDL庄水库,”岩石和土力学,2005年。视图:谷歌学术搜索
24. n . a . TsytovichTsytovich Mekhanika merzlykh gruntov(冻土力学)、高中,莫斯科,俄罗斯,1973年。
25. 诉我马卡洛夫,Protivofil 'tratsionnye mErzlotnye Zavesy v Gruntovykh Plotinakh Merzlogo Tipa。Stroitel 'stvo我Ekspluatatsiya Gidrotekhnicheskikh Sooruzheniy v Zapadnoy Yakutii [Antifiltration低温面纱在地面冻结类型的大坝。水工建筑物的建设和运营西方雅库特)Nauka新西伯利亚,俄罗斯,1979年。

版权

版权©2017 Aniskin Nikolay Alekseevich和安东诺夫安东Sergeevich。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。