geostudioseep模块解析学习课程

1、第1页/共82页第一页，编辑于星期五：二十一点 十二分。主要内容v数值模拟步骤vSEEP/W分析基本原理v几何和网格v材料类型和属性v边界条件v分析类型v数值问题v结果解译第2页/共82页第二页，编辑于星期五：二十一点 十二分。数值模拟步骤1、运行软件，选择分析模块；2、模型分析设定：分析类型、分析控制、收敛及时步设定；3、绘制或导入几何模型（几何模型修正）；4、定义材料类型，输入材料参数；5、将材料赋给几何模型，网格查看与调整；6、定义边界条件，将边界条件赋给几何模型；7、检查模型，求解；8、结果查看；9、工况变更，再次求解。总结：数值模拟分析要素：几何、材料、网格、边界条件第3页/共82页

2、第三页，编辑于星期五：二十一点 十二分。SEEP/W分析基本原理 有效的利用SEEP/W 软件来模拟分析问题，需要对一些关键的基本原理有清楚的认识Darcys law总水头定义土的储水能力基质吸力或负孔隙水压力对于土体渗透性（渗透系数或渗透率）的影响第4页/共82页第四页，编辑于星期五：二十一点 十二分。Darcys law 在非饱和区的应用同饱和区是一样的qk i q = 流量 k = 渗透系数(材料属性) i = 总水头梯度5第5页/共82页第五页，编辑于星期五：二十一点 十二分。 SEEP/W 的公式用总水头来表达 总水头(H) = 压力水头(h) + 标高 (y)wuHy6地表：标高

3、yh第6页/共82页第六页，编辑于星期五：二十一点 十二分。7第7页/共82页第七页，编辑于星期五：二十一点 十二分。等式右端项给出土体储水变化率瞬态分析控制方程等式右端项= 0 即稳态分析xyhhkkQxxyyt8第8页/共82页第八页，编辑于星期五：二十一点 十二分。几何和网格GeoStudio中的几何对象区域（Region）、点和线自由点自由线依附于线的接触面单元面层（Surface Layer）圆孔网格生成网格生成结构化网格结构化网格非结构化的四边形和三角形网格非结构化的四边形和三角形网格生成网格的一般原则生成网格的一般原则第9页/共82页第九页，编辑于星期五：二十一点 十二分。第10

4、页/共82页第十页，编辑于星期五：二十一点 十二分。第11页/共82页第十一页，编辑于星期五：二十一点 十二分。区域（Region）特性 当一个区域被定义时，有如下特性： 只能赋予一种材料类型； 只能有一种网格模式 一个区域内所有单元阶数相同，同为一阶或者二阶单元 同样的积分阶次第12页/共82页第十二页，编辑于星期五：二十一点 十二分。接触面（Interface elements on lines） 将材料本构赋给线： SEEP/W中接触面模型可以被用来代表如截流幕墙或渗透通道，给几何线赋予渗透性材料。第13页/共82页第十三页，编辑于星期五：二十一点 十二分。面层（Surface Laye

5、r） 在地面条件改变以响应气候和气候条件在短时间内的剧烈改变，比如，在极短的时间内土体由干燥变饱和。为了数值上能够处理这种边界条件快速和剧烈的变化，在地表必须有好的网格离散。 只能在地表定义第14页/共82页第十四页，编辑于星期五：二十一点 十二分。创建与编辑几何对象 GeoStudio软件的图形用户化界面 导入CAD格式（.dxf）的文件 精确点的定义 (keyin point):输入坐标精确定义点的位置 区域的修改与编辑（Modify 、 keyin region）第15页/共82页第十五页，编辑于星期五：二十一点 十二分。DXF文件导入GeoStudio软件的过程及技巧导入前的准备：设定

6、单位和比例，红框内是重点注意的，这个决定了建模的尺度，如下图示，x向最大48.34m，y向最大35.64m，最小均为-5m，首先根据自己的模型尺度设定相应的值。第16页/共82页第十六页，编辑于星期五：二十一点 十二分。cad的要求：要求导入的图形须是闭合的pl线，通常我们在cad作图是不会注意这一点，有一个好的方法是，即使不是闭合的pl线，用cad绘图菜单的边界命令可以轻松生成闭合的pl线（闭合region）实例操作实例操作模型修改模型修改精确点的捕捉精确点的捕捉模型检验模型检验第17页/共82页第十七页，编辑于星期五：二十一点 十二分。网格生成GeoStudio的网格生成是全自动的，当材料

7、赋给区域（Region）时网格自动生成，用户可以对生成的网格做用户化的设定与修改。优点：用户无需担心区域连接处的网格兼容性，也无需担心改变网格造成材料属性或边界条件的丢失。用户可以对基于区域（面）、点、线对象进行网格设定和调整，比如指定网格密度用实际单元长度，或全局网格比率，或者沿一条线等分等方法第18页/共82页第十八页，编辑于星期五：二十一点 十二分。总的来说：推荐用户用默认的全局网格密度，如果需要，对局部进行网格加密或者粗糙化。第19页/共82页第十九页，编辑于星期五：二十一点 十二分。 结构化网格：需要更多的工作即创建多个区域，但不会对计算结果产生显著的改善 混合网格（默认网格），推荐

8、的网格第20页/共82页第二十页，编辑于星期五：二十一点 十二分。生成网格的一般原则 同数值模拟一样，网格剖分也是锻炼才能获得的技能。理想的网格的生成亦需要不断的实践和积累经验。经验会让你认识到网格与解之间的联系。当你能够预见解的近似分布时，对于网格剖分就会更精通。 尽管没有硬性规定和快速准则，但还是有些是常有益的广泛准则： 在开始分析时用尽可能少的单元，用不超过1000个单元计算，以验证概念并获得第一个近似解。 当缩放比例是100%时，所有单元都是可见的。第21页/共82页第二十一页，编辑于星期五：二十一点 十二分。材料类型和属性l 创建材料类型及其属性，将材料赋给几何l SEEP/W有两种

9、主要的材料属性： 土水特征曲线（Volumetric Water Content） 函数(function) 土体渗透系数（Conductivity） 饱和渗透系数 saturated conductivity (Ksat) 函数（function）第22页/共82页第二十二页，编辑于星期五：二十一点 十二分。非饱和区渗透性是变化的，渗透系数亦非常数Ksat 仅在饱和区应用的渗透系数当越多的空气充填孔隙，渗流变得越困难23材料属性：非饱和区渗透性第23页/共82页第二十三页，编辑于星期五：二十一点 十二分。Air Entry ValueVolumetricWater ContentPore-W

10、ater Pressure( pwp )( - pwp )Residual Water Content024材料属性：土水特征曲线（体积含水量函数VWC）第24页/共82页第二十四页，编辑于星期五：二十一点 十二分。 如果土体会经历负孔隙水压力，那么渗透系数就非常数. 渗透系数是含水量的函数 间接的渗透系数是孔隙水压力(负)的函数 渗透系数函数的基本形状由体积含水量函数派生而出25材料属性：渗透系数函数第25页/共82页第二十五页，编辑于星期五：二十一点 十二分。K satAir Entry ValueConductivity(log scale)0Pore-Water Pressure( +

11、 pwp )( - pwp )26渗透系数函数渗透系数函数第26页/共82页第二十六页，编辑于星期五：二十一点 十二分。 What is happening as suction increases?- pwp, (kPa)K - pwp (kPa)Saturated S = 1Fully DrainedSrUnsaturated1 S SrAir-Entry ValueVWC27材料属性材料属性第27页/共82页第二十七页，编辑于星期五：二十一点 十二分。 利用 VWC 样本函数EstimateV W CSample functions28在在SEEP/W中获得渗透性函数的方法之一中获得渗透

12、性函数的方法之一第28页/共82页第二十八页，编辑于星期五：二十一点 十二分。EstimateV W CSample functionsK functionEstimate29在在SEEP/W中获得渗透性函数的方法之一中获得渗透性函数的方法之一利用 VWC 样本函数第29页/共82页第二十九页，编辑于星期五：二十一点 十二分。Suction (kPa)1S1001021041060SandSiltTillClay30第30页/共82页第三十页，编辑于星期五：二十一点 十二分。 用粒径信息估计VWC函数EstimateV W CGrain-sizeK functionEstimate 31在在S

13、EEP/W中获得渗透性函数的方法之二中获得渗透性函数的方法之二第31页/共82页第三十一页，编辑于星期五：二十一点 十二分。 在野外或实验室实测VWC函数MeasureV W CData pointK functionEstimate32在在SEEP/W中获得渗透性函数的方法之三中获得渗透性函数的方法之三第32页/共82页第三十二页，编辑于星期五：二十一点 十二分。Closed form option 1 (Fredlund and Xing, 1994)在在SEEP/W中获得渗透性函数的方法之四中获得渗透性函数的方法之四Closed form option 1 (Van Genuchten)

14、 参数拟合方案第33页/共82页第三十三页，编辑于星期五：二十一点 十二分。材料属性：体积压缩系数（材料属性：体积压缩系数（ ）体积压缩系数是体积含水量函数在孔隙水压力为正的部分的曲线斜率，其物理意义是描述在给定孔压改变的膨胀或收缩性能在大多数非饱和土体渗流分析中体积压缩系数不需准确定义，用户可以定义一个小的值，比如1.0e-5/kPa。如果是流固耦合分析，则这一参数需仔细输入。第34页/共82页第三十四页，编辑于星期五：二十一点 十二分。接触面模型及参数接触面模型及参数可以定义线的切向和法向的渗透系数，比如模拟排水板排水或者截流幕墙等第35页/共82页第三十五页，编辑于星期五：二十一点 十二

15、分。在非饱和区（负孔隙水压力）和饱和区（孔压为正）都会发生流动渗透系数是基质吸力或者负孔隙水压力的函数体积含水量是基质吸力或者负孔隙水压力的函数36材料模型总结：材料模型总结：第36页/共82页第三十六页，编辑于星期五：二十一点 十二分。37第37页/共82页第三十七页，编辑于星期五：二十一点 十二分。38第38页/共82页第三十八页，编辑于星期五：二十一点 十二分。边界条件边界条件基本原则边界条件作用对象水头边界条件指定边界流量源和汇浸润面自由排水远场边界条件边界条件函数第39页/共82页第三十九页，编辑于星期五：二十一点 十二分。边界条件的基本原则边界条件的基本原则指定边界条件是数值分析非

16、常关键的部分！数值分析的解直接响应边界条件，没有边界条件就不可能获得解。边界条件本质上是驱动力。要点一：SEEP/W的边界条件只能是二选一，要么是水头要么是流量。要点二：需要完全理解当指定水头时，有限单元的解为流量，反之亦然。要点三：既没有指定流量亦未指定水头的结点，计算流量为0.第40页/共82页第四十页，编辑于星期五：二十一点 十二分。边界条件作用对象边界条件作用对象在GeoStudio2007中所有边界条件必须直接作用在几何上，比如区域面、区域线、自由线和自由点。不可以作用在单元边或者节点上。第41页/共82页第四十一页，编辑于星期五：二十一点 十二分。第42页/共82页第四十二页，编辑

17、于星期五：二十一点 十二分。水头边界条件水头边界条件总水头第43页/共82页第四十三页，编辑于星期五：二十一点 十二分。第44页/共82页第四十四页，编辑于星期五：二十一点 十二分。第45页/共82页第四十五页，编辑于星期五：二十一点 十二分。第46页/共82页第四十六页，编辑于星期五：二十一点 十二分。第47页/共82页第四十七页，编辑于星期五：二十一点 十二分。坝体水头边界条件之总水头第48页/共82页第四十八页，编辑于星期五：二十一点 十二分。坝体水头边界条件之总水头、压力水头第49页/共82页第四十九页，编辑于星期五：二十一点 十二分。指定边界流量指定边界流量Applied unit

18、flux (q)q = 3 e-5 m /s1m2mQ在SEEP/W中，流入系统为正，流出系统为负。但结点流量Q为标量第50页/共82页第五十页，编辑于星期五：二十一点 十二分。源和汇（源和汇（Sources and sinks）有另外一类边界条件叫做源或者汇。这类边界条件也被成为第三类边界条件。典型的汇代表网格内部某点排水，源则可能是个补给井。关于源和汇一个重要的概念是它们代表了水流入或流出系统。在本例中指定的水头边界（H）代表汇（sink）水从该结点流出系统第51页/共82页第五十一页，编辑于星期五：二十一点 十二分。在网格内部，指定结点水头（H）或者流量（Q）常常代表源或者汇这种边界条件

19、第52页/共82页第五十二页，编辑于星期五：二十一点 十二分。53浸润面（浸润面（Seepage faces）边界条件：Potential Seepage Face Review意义：流量与水头转化边界，通过迭代求解得到溢出点位置第53页/共82页第五十三页，编辑于星期五：二十一点 十二分。自由排水（自由排水（Unit gradient）自由排水在某些情况下是很有用的边界条件，但也容易被用错。Kisch问题：粘土覆盖层下覆粗糙的沙土（ a clay barrier over a coarse sandy soil ） Kisch pressure profile with head top a

20、nd head base boundary condition第54页/共82页第五十四页，编辑于星期五：二十一点 十二分。远场边界（远场边界（Far field boundary conditions）在很多情况下，远离感兴趣点的边界条件是难以定义的，比如：远离抽水井或者开挖区域的边界条件，这被称为远场边界条件。处理方法之一：延展问题的几何，缺点：需要跟多的单元和跟多的计算时间，且有些情况会造成网格剖分困难，结果难于解释。处理方法之二：使用无限单元（infinite regions）该边界条件上定义水头边界条件将会获得好的计算结果，非零的流量边界条件不推荐使用。使用建议：先不使用无限单元，在

21、获得合理结果的基础上再用该方法以评价是否提供更符合预期的解第55页/共82页第五十五页，编辑于星期五：二十一点 十二分。第56页/共82页第五十六页，编辑于星期五：二十一点 十二分。边界条件函数（边界条件函数（Boundary functions）在瞬态分析时边界条件经常是时间的函数水头-时间（ Head versus time ）水头-体积的函数（ Head versus volume ）结点流量-时间（ Nodal flux Q versus time ）在时间相关的函数中，需确认时间的单位同渗透系数的单位(比如seconds, hours, days 等)相一致。对于长期的瞬态分析，推荐

22、将渗透系数定义为m/day以便说有的时间单位都是天，这会避免用864000s来代表10天。第57页/共82页第五十七页，编辑于星期五：二十一点 十二分。第58页/共82页第五十八页，编辑于星期五：二十一点 十二分。分析类型（分析类型（Analysis Types）稳态分析（Steady State）瞬态分析（Transient）时步（Time stepping）分步/多步分析轴对称分析平面视图（俯视图Plan view）第59页/共82页第五十九页，编辑于星期五：二十一点 十二分。稳态分析（Steady State）假定边界条件不随时间变化。对给定的特定的边界条件，模拟得到分析对象的水压力分布

23、和流动状态。稳态分析不考虑时间，渗流方程被简化，同时收敛将变得困难这取决于土体属性（渗透性函数）的非线性程度。稳态分析可以不定义体积含水量函数VWC-F，因为该函数的物理意义是当压力改变时土体吸水或释水性能。只有唯一的收敛结果。思考：完全饱和的材料？第60页/共82页第六十页，编辑于星期五：二十一点 十二分。瞬态分析（Transient）分析多长时间土体响应用户定义的边界条件。例如：预测蓄水过程 坝体内水位随时间变化，预测强降水的土体内水压力变化，等等。 关键一点：瞬态分析必须定义初始条件（初始的各结点的总水头），不真实的初始条件会导致难以理解的、不符合实际的计算结果。第61页/共82页第六十

24、一页，编辑于星期五：二十一点 十二分。初始条件的获得：1. 定义初始水位线（Draw initial water table）2. 稳态分析的计算结果3. 瞬态分析指定时步的计算结果4. 其他GeoStudio软件的计算结果（SIGMA/W QUAKE/W）5. 空间孔隙水压力第62页/共82页第六十二页，编辑于星期五：二十一点 十二分。稳态分析的计算结果注意事项第63页/共82页第六十三页，编辑于星期五：二十一点 十二分。定义初始水位线注意事项当水位线时水平时，用水位线的方法会给出精确的初始孔隙水压力，如果水位线是曲线，则给出的是近似的初始孔压。近似能否被接受取决于问题本身。第64页/共82

25、页第六十四页，编辑于星期五：二十一点 十二分。空间孔隙水压力定义空间压力水头分布，未定义的区域软件插值得到。第65页/共82页第六十五页，编辑于星期五：二十一点 十二分。时步（Time stepping）瞬态分析必须对时步进行设定，合理的时步是问题求解的关键，准确的计算结果依赖于时步设定。时步设定基本规则:有限单元形状是重要的，三角形单元不应该有大约90度的内角，四边形单元可以有双倍于三角形单元的时间步长；由于单元尺寸与时间步长成正比，双倍的单元尺寸一位置可以设定双倍的时间步长，由此可知：减小单元尺寸却不减小时间步长将不会改善计算结果；第66页/共82页第六十六页，编辑于星期五：二十一点 十二

26、分。时步设定基本规则:如果有瞬间荷载作用于系统，比如由于外部荷载导致的突然的孔隙水压力增加，应当将初始时步设定成近似于荷载作用土体的饱和渗透系数除以Mv值大小的数量级；如果模拟水库快速蓄水，可以使用水头-时间边界函数来模拟短期快速蓄水；如果在地表应用了流量-时间边界条件，且应用了许多不同值（比如模拟自然降水开/关），此时需要确保计算时步足够小以便允许求解器跟得上函数的性状。第67页/共82页第六十七页，编辑于星期五：二十一点 十二分。时步设定提示:在开始分析时，取总的分析时间的分5个相等的时步，运行模型，如果收敛观察需要多长时间达到收敛。如果不收敛，应该怀疑时步有问题，重新设定10个小的时步。

27、模拟求解正常后，可以试验减小时步看收敛结果是否改变。唯一的方法是不断的试验第68页/共82页第六十八页，编辑于星期五：二十一点 十二分。分步/多步分析GeoStudio 2007的新功能便是执行多步分析什么是多步分析？第69页/共82页第六十九页，编辑于星期五：二十一点 十二分。第70页/共82页第七十页，编辑于星期五：二十一点 十二分。轴对称分析平面视图（俯视图Plan view ）（confined aquifer only）第71页/共82页第七十一页，编辑于星期五：二十一点 十二分。 K includes conductivity (k) H is the unknown But k = f (h) = f (unknown h) Therefore iterative procedure required Start with Ksat, then use last computed value - repeated substitution KHQ72数值问题第72页/共82