新疆排水井-有限元分析研究现状

由于排水孔的排水降压的作用，其对渗流场的分布影响很大，因此在边坡渗流场分析的中一定要考虑到排水孔的排水降压作用。排水孔孔径一般较孔距要小很多，而且边坡中往往分布数目众多。排水孔孔径与建筑物尺寸比较起来，相差比例往往达百倍，甚至千倍。在渗流场的有限单元法分析中，如果按照常规方法在排水孔局部区用加密网格的方法来模拟排水孔的渗流行为，则计算网格就会十分复杂，一旦网格形状不符合要求，网格单元及节点过分的多，就会导致计算效率低下，解题精度下降，求解时间增多，甚至会出现计算机存储容量不够，无法解题的现象。因此所以国内外学者一直在研究能对排水孔进行处理的方法。工程上经常采用的近似方法是将排水孔作为有限元网格中的一个给定水头的节点处理，由于该方法使得问题大为简化而被国内外工程界广泛采用。而事实上排水孔的排水效果与其孔径密切相关，王镭、张有天通过分析认为将排水孔作为一个点处理没有完全反映排水孔的尺寸效应，会产生显著的误差。此后，张有天，Fipps 对在以点代孔的基础上如何反映排水孔径的影响从而减少误差方面做了进一步的研究，提出了控制排水点相邻单元尺寸与排水孔半径比例的改进方法，但计算结果仍有误差。 [6]  张有天、朱伯芳采用边界元、有限元混合分析有排水孔的渗流场问题，但都是以平面问题为对象，没有考虑三维效应。 [7] 

关锦荷，杜延龄提出以排水沟代替排水孔幕，并用杆单元反映排水孔附近绕流渗径长度，也未能反映排水孔的三维效应。 [8]  王镭，朱岳明等提出了排水子结构法，能在计算工作量不增加很多的情况下，模拟不穿过自由水面时排水孔的实际渗流行为，能反映出排水孔的三维及尺寸效应。 [9]  朱岳明随后对这种方法进行了改进，提出了改进的排水子结构法，朱军进一步完善了这种方法。 [10]  改进的排水子结构法的基本思想是，根据排水孔的走向，布置较为合适的母单元，于母单元内围绕排水孔再布置尺寸较小的单元，逐步过渡到与母体单元周边相衔接，从而形成一个“子结构”，并根据排水孔的性质，将排水孔壁面上的节点视作约束节点。同时，为解决存贮量过大问题，对子结构引用了“凝聚”方法，将排水孔的作用效应 “凝聚”到母单元节点上，从而较真实全面地模拟了排水孔的作用机制和效应。改进的排水子结构法在计算理论上严密、可靠，模型能比较真实全面地模拟排水孔的作用机制和效应，可以比较圆满的解决排水孔模拟的问题。

排水子结构法是一种能够圆满解决模拟排水孔渗流问题的方法，全面揭示了排水孔在渗流控制中的作用。但是，当排水子结构法用于众多排水孔时，其子结构的形成与计算工作量是巨大的。另外，排水孔子结构母单元的剖分及子结构的形成取决于排水孔的走向，因此，当排水孔的位置、间距、走向、方位发生改变时，不仅子结构的形成必须要从头开始，而且有限元分析区域网格也需要进行重新调整，由此产生的工作量将会是巨大的。同时，相对较优的渗控布置系统往往也需要在大量的方案比较基础上才能终确定。故此可看出，排水子结构法作为渗控优化的计算手段来说，就显得很不灵活，尤其是对于复杂的渗控排水系统进行优化分析比较时，就显得力不从心。这样一些学者开始寻求近似模拟排水孔的方法，和将解析法与有限单元法相结合的模拟排水孔的方法。

杜延龄等总结了工程中常用的采用与排水井列等效的排水沟来模拟排水井列的方 法，并提出了用杆单元模拟的方法，但仍属近似的模拟方法。 [11]  詹美礼等采用解析法和有限元相结合的方法，将排水孔的作用效应，通过排水孔的空间位置、走向及其边界性质的有关几何参量来加以描述。解决了当排水孔布设方位、长度变化较大，和排水孔优化布设研究中模型变化较大的渗流场有限元求解问题。 [12]  王恩志等提出“以管代孔”的方法来模拟排水孔，进而提出“以缝代井列”的方法来模拟排水孔幕。 [13]  大大简化了排水孔模拟中的建模问题，能有效模拟岩体中排水孔个体的排水情况。