Seep渗流计算V30使用手册

1、seep V3.0离鶴炎醫來劍來二四年一月1渗流根本理论1.1水工渗流的危害及渗流分析计算的任务流体在多孔介质中的运动称为渗流。水是最为常见的流体， 水利水电工程中由于广泛建造堤、坝、围堰、水闸等挡水建筑物形成了水头差，这些建筑物或其地基通常是透水的多孔 介质，因此水工渗流现象十分普遍。水工渗流造成多方面的危害。渗流造成水库、渠道水量损失；渗流使堤坝、围堰土体饱 和，降低坝体的有效容重和抗剪强度，可能导致坝坡失稳； 建筑物地基渗流对建筑物底部产生扬压力，也不利于建筑物的稳定；渗流流速过大时，还可能造成坝体或建筑物地基的土体颗粒流失，发生渗透变形，从而使堤坝崩塌或建筑物滑移、倾覆；水库渗流还可能

2、引起下游 地下水位升高，导致农田冷浸渍害、 盐碱化，使作物减产；拦污坝渗流造成地下水环境污染。水工渗流分析计算的任务就是要研究水在渗流区域的渗流流速、流量、水头分布及浸润线等，从而为采取合理的渗流控制措施提供依据，以防止或减缓渗流危害。1.2达西定律19世纪50年代，法国工程师亨利达西 H.Darcy丨通过对装在圆筒中的均质砂土进 展渗透试验发现，通过两个渗流断面间的平均渗流流速，正比于两断面间的水头差h,反比于渗径长度L,且与土粒构造及流体性质有关。这就是著名的达西定律， 可用公式表达为：vkhkdh kJ（）L ds2式中h 测压管水头，h z , z为位置高度，p为压强，丫为水的容重。因

3、为2g2渗流的流速一般很小，流速水头可忽略，故h z卫。2gk反映土粒构造及流体性质的系数，即渗透系数，对于某一具体的流体比方水而 言，k值仅与土粒构造有关。J渗透坡降，J 生。ds式中的负号-表示水总是流向水头减小的方向。应当注意，达西定律中的流速是全断面上的平均流速v，而不是土体孔隙中的流速 v，,v nv这两种流速存在以下关系：(1.2.2)式中n为体积孔隙率，可见达西流速小于土体孔隙中的流速。还应注意，达西定律只能适用于层流状态的渗流运动。在水利工程中，除了堆石坝、堆石排水体等大孔隙介质中的渗流为流之外，绝大多数渗流都属于层流， 达西定律都可适用。对于非层流渗流，其流动规律可用以下公式

4、形式表达：v kJm 上式中当m=1时，为层流渗流；当 m=2时，为完全紊流渗流；当 1 v m 2时，为层流到紊流 的过渡区。将式丨等号两边向x、y、z轴投影，便得到空间直角坐标系中的达西公式:VxkxhxkxJxvykyhykyJyVzkzhzkzJz渗流运动连续性方程124从渗流场中取某一微分单元体如图，其体积V dxdydz，流入左侧面的水体质量的速率为vxdydz，流出右侧面的水体质量的速率为面进出流量之差为(vz vzdz)dxdy，那么左右 z一 vxdxdydzx同样，对于前后面和上下面作流进流出的流入量计算,最后累加各净有流入量， 得到微元体内总得流入量为VxVyVz V将上

5、式展开为VxVyxyVXVy VzVx y z式中后一项与前一项相比，小得可以忽略，故改写成质量M随时间的变化速率:MnVV、，n 、，nV -nV -ttttt式中，n为土体的孔隙率，p为水的密度，V为微元体的体积。式丨右边三项分别代上式即为水体质量在微元体内积累的速率,根据质量守恒原理,它应等于微元体内水体表土体骨架、孔隙体积及流体密度的改变速率。Vzv125引入弹性压缩理论，可导出式中得等价表达为:即压缩模量127M 2x/ hg n V - tt式丨中a 土颗粒骨架的压缩性3水的压缩性渗流测压管水头m，根据质量守恒原理，式丨与式丨相等，那么得到VX Vy Vz128假定水和土不可压缩时

6、，上式变为:Vx-Vy-Vz0x y z129式丨为不可压缩流体在刚体介质中流动的连续性方程。渗流微分方程将达西公式代入渗流连续性方程可得:hhhkxkykzgx x y y z z式为非稳定渗流微分方程的一般形式,既适合于承压含水层,也适合于无压渗流。式中Ss g n 称为单位储存量尺度为1/L，其含义是：单位体积得饱和土体在水头下降1m时，由于土体压缩g丨和水体膨胀gn丨所释放出来得储存水量。当介质为均质各向同性即kxkykzk丨时，式丨变为1.2.11 2h2h 2h Ss_hx2y2z2k tkj kk0x x y y z z2hh22x y2hz21213式、 丨分别为各向异性、各向

7、同性时的三维稳定渗流微分方程。对于堤坝渗流及建筑物地基渗流，在许多情况下可简化为垂直剖面上的二维渗流问题，那么式、 可变成kxkz0x22hz2(1.2.15)有自由面变动的渗流微分方程对于土坝或堤防在水库或河道水位下降时的非稳定渗流情况，自由面下降引起的土体压缩或弹性释放水量与自由面下降时所排出的水量相比很小，故可令式kzz中的Ss 0，因此，有自由面的三维非稳定渗流微分方程为其二维非稳定渗流微分方程为kz h z z上面二式虽然在形式上与稳定渗流方程式、 完全一样，但结合自由面变动的边界条件所得到的水头分布是空间座标与时间的函数，而不象稳定渗流方程式的解答，只是空间座标的函数。水工渗流问题

8、的定解条件发生在有限空间流场内的渗流运动，不仅受渗流微分方程支配，也受流场边界条件和初始渗流状态条件支配。下面以土坝非稳定渗流状态介绍水工渗流定解条件的几种类型。b H一4、-艺* t乂二 一-a-3：一亠.F_G图1.2.2土坝非稳定渗流定解条件初始条件：hh0 x,z,t仅对非稳定渗流1218边界条件:水头边界 h 1 f1 (x,乙t)在图中，水头边界包括： 上游水头边界：hABC H,t)下游水头边界：hEFGH21219下游坡渗出段水头边界：hDE z流量边界：q kn 2 f2(x, z,t)n在图中，自由面AD下降时，由自由面流进的单宽流量为:hq cost式中B自由面的法线与铅

9、直线的夹角卩一给水度，即单位体积土体在饱和含水情况下，当自由面下降A1m后排出的空隙水量，又称土体的排水空隙率或有效空隙率。又因q knh, hkncosnz由式A B，自由面流量边界条件改写成hhkn tzBC当坝体土各向异性时，kn取kz值。因渗流自由面与大气相通，压力水头为零，故在自由面上还应满足:2 SEEP V3.0的功能和特色1适用于各种工况如水位固定或上游水位快降、复杂边界包括各种防渗、排水设施 和复杂土层条件下的： 堤防、土石坝渗流计算；各类不透水材料坝如混凝土坝和浆砌石坝 水闸、泵房的地基渗流计算。2采用有限元法计算，可得到渗流量、浸润线、等水头线等计算结果。3采用可视化界面

10、建立原始数据文件，也可在记事本中建立原始数据文件。4计算成果既可打印成表格，也可自动绘制出浸润线、等水头线图。3 SEEP V3.0解题要点3.1坐标系的选取及计算范围确实疋如图所示，水平坐标x取向右为正，竖直坐标与当地高程体系一致。对于上游入渗段长度L1及下游渗出段长度 L2，一般取0.51倍的水头或取实测值图 3.2单元剖分a) 单元自动剖分的分组、分块与结点编号根据渗流场的几何形状、土层分布等，将整个渗流场划分为一些四边形的子域，如图所示。这些子域称为块，为使结点优化并满足自由面调整迭代的需要，将所划分的 块又分成假设干组，每组内由假设干块组成。具体规定：每组内各块首尾相接，上下贯穿整

11、个渗流场：每组内的块由上而下逐块编号，且从左到右一组一组地进展，但块的结点标号是任意的建议按照从左到右，从上到下的顺序。图中由结点3，7，11，12，15连成的折线为事先假定的浸润线。(451H13 坷2(3_2(3 (34()8 丄5 .12(533 (3(49 (3 138(5(31516 100)19 )專(3【7(39(3町(31?10214(520(322图 b) 四条边剖分点布置本软件进展渗流有限元计算的根本微小单元为三角形单元，为此还需将上述四边形块单元剖分为三角形单元。如图所示，从渗流场中取出任意一块，图中n1, n2, n3, n4分别表示相应边上剖分点数剖分点数决定三角形单

12、元的数目或大小，且按顺时针方向编号，n1与n3、n2与n4分别为两组对边，两对边上的剖分点数可相等，也可不相等，但为 防止出错，最好使各对边的点数相等或相差小一些。剖分点的疏密应按水力条件来确定，在以下部位的剖分单元应加密：水力坡降大的部位、坝轴线附近、截水槽及上游铺盖进水处， 下游出口及排水沟附近。此外，剖分点数的拟定还必须满足以下三点： 三角形单元总数500 ； 门3 厲门2,门4阳门2n 1,门3 ； 浸润线变动范围内n1 n3n1(3 n4n2(3n3(6)87图322c) 剖分顺序剖分顺序依次为：划分块单元、分组并编组号、编块号并核对块单元的结点数、编结点号、在各块边上布置剖分点数。

13、同一块内的渗透系数必须一样，但同一渗透系数土层可划分为假设干块。每个块都必须是四边形块。在渗流区域边界上有时不可防止地出现三角形块，此时在该块的边界边上任取一点作为结点，这样一来，三角形块可以看成是蜕化的四边形块。4 SEEP V3.0的操作步骤与文件内容介绍4.1 DQBfc件的产生详细的操作步骤如下：第一步：运行CCED.EXE文件，弹出工程及视图相关参数界面(如图4.1.1):图工程及视图参数界面工程相关参数：(1) 填入“分块组数和“土层种类数；(2) 等势线间距有5%和10%两个数可供选择，分别表示在渗流场分布图中相邻两条等 势线之间的水头势能相差 5%和10%;(3) 渗流情况：如

14、果计算非稳定渗流，需要填写水位降落经历的时间、初始水位和降后 水位；如果计算稳定渗流，需要选择是否计算渗流量。视图相关参数：(1) “最大坐标和“最小坐标：是您在绘图过程中所能输入的最大最小坐标值，为 了方便绘图，建议将断面的最大X、Y坐标值分别加上30,将断面的最小 X、Y坐标值分别减去30后输入；(2) “1m=( )P 表示绘图时一米长度所显示的象素个数，如果图形中有比拟短的线条，可填入较大值，比方10 ;如果图形中线条都较长，建议采用默认值（3）“点的选取半径默认为3个像素，设置大些可以更好地捕捉点,线条的选取，建议采用默认值；“字体大小一般默认为10。4；但过大会影响(如图 4.1.

15、2):-Ini x|第二步：单击“工程及视图参数界面中确实定按钮，进入图形绘制界面文件（日編辑查看回帮助耳（斗000皿厂50伽）Line From：默认状态上下:进展图形绘制:图图形绘制界面图形绘制：在右下角“Line From 的后面直接输入节点坐标并按回车键;如果节点坐标有错误，可以点击【进展修改;（3）点击，用左键选中线条，再单击右键可以删除线条切换到状态三进展单元剖分:上加大巴减小“点的选取半径，或者将图形放大，然后点击进展剖分填写，最后按块的编号顺序进节点编号：按编号顺序直接点击该节点，如果不能选中该节点，可以点击“点的选取半径；剖分控制：先选中块的四条边如果不能选中该边，可以点击展

16、其它块的剖分。数据填写和文件保存：(1)输入每层土的水平和垂直渗透系数K x、注意：每输入一层土的渗透系数，都要点击确定按钮进展数据保存；填写土层渗透系数：点击Ky cm/s，剖分块信息修改：如果剖分信息有错误，点击 的编号，再单击修改按钮；曰二进展修改先选中Reg下某一块设置相关参数：点击 匸翻开相关参数设置对话框，检查“分组数、 数间距和“渗流情况是否正确， 时，需填写“渗流断面穿过的块号；“等势线百分注意：当计算工况为稳定渗流且计算渗流量的弹出dqb文件保存对话框，选择保存路径后点击保存（S）保存dqb.dat文件：点击按钮，注意：计算时文件名必须为 dqb.dat ；生成断面轮廓图：如

17、果需要断面轮廓图，直接在图中点击鼠标左键选中所有要保存的轮廓线后，点击弹出保存对话框，填入文件名并保存。4.2运行计算点击 耀按钮，弹出计算操作界面(如图4.2):图4.2计算操作界面(1) 点击查看 DQB按钮，检查产生的DQB文件是否正确(可以参考说明书中 4.3 DQB DAT 文件的内容和格式)；(2) 点击剖分单元按钮,生成渗流计算需要的原始数据文件G- DAT和剖分图NETO.BLN;(3) 点击显示剖分图按钮,进展单元剖分同时生成网格图NET.BLN；(4) 点击编辑数据按钮,翻开计算原始数据文件 G - DAT,注意：在该文件末尾另起一行 输入0并保存；(5) 点击计算按钮，生

18、成结果文件SEEP- OUT和渗流场图形文件 GS- BLN；(6) 点击等势线图启动 SURFER绘制渗流场分布图：a、单击 MAP菜单中的 LOAD BASE MAP出现IMPORT FILE视窗，双击 BOUND BLN, 单击OK随即出现土坝横断面图；b、单击 MAP菜单中的LOAD BASE MAPH现IMPORT FILE视窗，双击 GS- BLN 单 击OK随即出现渗流场图形；c、将土坝横断面图与渗流场图形进展叠加：用鼠标将渗流场图形拖至堤防横断面图，用鼠标同时框选堤防横断面图和单个渗流场图形，单击MAP出现MAP菜单,单击MAP菜单中的 OVERLAY MAP即完成图形叠加；d

19、、进展文字编辑、坐标轴设定等，最终得到完美的渗流场分布图。(7) 假设想查看计算结果 SEEP- OUT那么点击计算报告按钮。4.3 DQB. DAT文件的内容和格式产生的数据文件DQB.DAT内容格式如下：第一行：SEEP1, SEEP2, SEEP3第二行：ZU, KUAI , DIAN , BIAN , TUCENG , SLDM , SLK , SD , BFS第三行：KXX 1： KUAI , 1 : 9第四行：ZB 1 : DIAN , 1 : 2第五行：SLCS 1： TUCENG , 1 : 3第六行：BJXX 1: BIAN , 1: 3第七行：SLKH 1: SLK第八行：

20、SLDMXX 1: SLDM , 1: 3第九行：SJSW 1: 2, 1 : 2数据说明：1SEEP 1判别是否保存渗流绘图数据， Y 为肯定， N 为否认。SEEP 2判别是否自动剖分数据， Y 为肯定， N 为否认。SEEP 3设定为N 。2ZU分块组数计算区域内剖分的块依次从左到右分为假设干组，同一组间应为上下 关系，即第I块的下边n3与第1+1块的上边n 1应为同一边，每组内由上而下顺序编 号；KUAI 四边形块的数目；DIAN 块角点数；BIAN 含各类边界的边数；TUCENG 不同渗透系数的土层种类数；SLDM 需要计算渗流量的渗流断面个数，如果是零表示不计算渗流量；SLK 需要

21、计算渗流量的断面所穿过的总计块数，如果是零表示不计算渗流量；SD 计算非稳定渗流时水库水位降落的时段数，如果是零表示计算稳定渗流；BFS 计算等势线的百分数间距值，默认为 10。3KXX(1:ME,1:9)块信息数组每块9个分量，按块号从小到大顺序填写。第1 4分量表示块从左上角起按顺时针方向的四个角点点号；第58分量依次表示块从上边起按顺时针方向4条边的剖分点数；第9分量为块的渗透系数区号。4ZB 1： DIAN，1： 2块的结点坐标数组按块结点序号顺序表示每一结点的X，Y坐标。5SLCS 1 : TUCENG，1： 3依次为每层土的水平渗透系数Kx单位：cm/s，垂直渗透系数 Ky单位：c

22、m/s，给水度 ，0.11 k该式中渗透系数 k的单位为：m/day。6BJXX(1:BN,1:3) 边界信息数组每条边界有三个分量，第一分量为边界边所在块的块号；第二分量为该边界边在块中的边序号；第三分量为边的边界类型号，规定为：1 渗流自由面边界斜、心墙坝仅为上部自由面3半有压流边界5斜、心墙坝下游坝壳自由面边界6均质土坝下游坝坡或排水体渗出段边界7上游水头边界8下游水头边界9斜、心墙土坝斜墙心墙后坡渗出段边界7SLKH 1 : SLK需计算渗流量的过流断面上的块号。8SLDMXX 1 : SLDM，1 : 3渗流断面的块单元信息第一分量为某过流断面所经过的块数；第二分量为该过流断面与块边

23、界相交的信息，水工渗流计算一般为 1;第三分量为该过流断面在块中位置的节点链序号，一般为1或2。9SJSW 1 : 2，1： 2起降时间天、水位；降后时间天、水位。4.4 G.DAT数据内容本软件可将四边形块单元自动剖分为三角形单元，同时由DQB.DAT自动产生 G.DAT,G.DAT是本软件进展渗流计算的原始数据文件，其数据内容格式如下：第一行：SEEP1, SEEP2, SEEP3第二行：NE，NN，NNU，NND，NNM1，NNM2，NNF，TUCENG，AA，AA1，AA2，BB1，BB，BB2，NNP，NQ，SD，NW，NG，NNM3，LU，LD，MA第三行：Hmax, H1，H2，

24、H3，EPS，EPS1，DT，Yaa，Xaao o o o o o第十四行：SW 1 : SD第十五行：SJJG 1： SD第十六行：SLCS 1： TUCENG , 1 : 3第十七行：QTE(1 : NQ)第十八行：QEN(1 : Qe)解释：1SEEP1, SEEP2, SEEP3同 DQB.DAT2NE 三角形单元总数o o o o o o3H max 上游最高水位H1 上游水位H2 下游水位H3 井水位EPS 自由面迭代允许误差 (0.10.001)EPS1 井附近迭代允许误差 (0.50.005)DT 水位变化总历时单位：天O O O O O O O14SW 1： SD各时段末上游

25、水位。15SJJG 1 : SD各时段时间间隔天数16SLCS 1: TUCENG , 1 : 3依次填写每层土的水平渗透系数Kx单位：m/day；垂直渗透系数Ky单位：m/day;给水度 ，0.1177、k式中k为渗透系数，单位：m/day。17QTE(1 : NQ)计算渗流量断面的单元总数18QEN(1 : Qe)计算渗流量断面的所有单元号。5算例例一均质土坝稳定渗流计算某均质土坝横断面尺寸、上下游水位及渗透系数如图5.1所示，要求计算稳定渗流场解题步骤如下： 运行CCED.EXE文件，弹出工程及视图相关参数界面，在“分块组数中填入5，在“土层种类数中填入2,选择“稳定渗流，并选择“计算渗

26、流量；单击视图相关参数，“最大坐标中X填写170, Y填写100, “最小坐标中 X填 写-30, Y填写10,其它的按照默认值；(3)单击确定按钮，进入图形绘制界面，参考“4.1 DQB文件的产生中具体的操作步骤建立均质坝横断面剖分图(如图5.2);图5.2均质坝横断面剖分图 保存dqb.dat文件，内容如下：Y y N5 8 16 7 2 1 2 0 101 4 5 2 3 2 3 2 13 6 7 4 2 3 4 4 24 7 8 5 4 2 4 2 16 9 10 7 4 4 4 3 27 10 11 8 4 2 4 2 19 12 13 10 8 4 8 4 210 13 14 11

27、 8 2 8 2 113 15 16 14 4 2 4 2 10.000 45.00042.000 45.00042.000 40.00067.000 65.00067.000 45.00067.000 40.000121.000 48.000118.000 45.000118.000 40.000140.000 45.000140.000 40.0000.000002000 0.000002000 0.0471573350.000010000 0.000010000 0.0593474561 1 72 4 72 1 7 4 1 76 1 16 2 88 1 8点击图形绘制界面中的山；按钮，弹

28、出计算操作界面:a、b、c、d、点击查看DQB按钮，检查产生的 DQB文件是否正确（可以参考说明书中 4.3 DQB.DAT文 件的内容和格式）； 点击剖分单元按钮,生成渗流计算需要的原始数据文件 点击显示剖分图按钮,进展剖分同时生成网格图 点击纟G- DAT和剖分图 NET0.BLIN NET.BLN弟辑数据按钮,翻开计算原始数据文件 G- DAT注意：在该文件末尾另起一行输入e、f、点击等势线图启动 选择MAF菜单中的 随即出现土坝横断面图；选择MAP菜单中的 随即出现渗流场图形；将土坝横断面图与渗流场图形进展叠加：用鼠标将渗流场图形拖至堤防横断面图，同时框选堤防横断面图和单个渗流场图形，

29、选择MAP菜单中的OVERLAY MAP即完成图形叠加;0并保存； 点击计算按钮，生成结果文件SEEP- OUT和渗流场图形文件 GS- BLN;SURFER观察渗流场分布图：LOADBASEMAP出现 IMPORT FILE 视窗，双击 BOUND BLN,单击 OKLOAD BASE MAP出现 IMPORT FILE 视窗，双击 GS BLN,单击 OK图5.3均质坝渗流场分布图翻开计算报告SEEP- OUT,得到单位坝长的日渗漏流量QQ1=0.0313 卅/day/m。例二堤防非稳定渗流计算堤防、堤基横断面尺寸及渗透系数如图5.4所示，下游水位为31.0m,河水位由38.0m经4.5天

30、降至36.0m，又经3.5天降至34.0m。要求计算河水位降落过程中的堤防渗流场。图5.4堤防横断面解题步骤可以参考例一，建立堤防横断面剖分图如图5.5图5.5堤防横断面剖分图 产生本问题的 DQB- DAT文件内容如下：Y y N3 5 12 7 2 0 0 2 101 5 6 2 4 5 4 5 23 7 8 4 13 3 13 3 14 8 9 5 13 3 15 3 15 9 10 6 15 5 15 5 29 11 12 10 4 5 4 5 20.000 30.0000.000 20.00030.000 38.00020.000 34.00010.000 30.00010.000 20.00053.000 33.5000.000010000 0.000010000 0.0593474560.000002000 0.000002000 0.0471573351 1 73 4 72 4 72 1 12 2 63 2 85 1 80 38.000 8.000 34.000注意：GS.BLN中包含了初始水位 38.0、下降瞬时水位 36.0、下降瞬时水位 34.0共3个水位时的渗流场绘图数据，故应将GS.BLN文件拆分成3个绘图数据文件 GS1.