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FracSeep-2D 二维裂隙网络渗流分析软件
产品版本: V1.0
适用平台: Windows
产品介绍典型案例参考文献

软件简介

FracSeep-2D主要用于预测岩体裂隙网络内的自由面位置、地下水流动方向、流量分布以及裂隙交叉处的水头情况。FracSeep-2D可以模拟分析裂隙岩体稳定/非稳定,饱和/非饱和渗流的流场演化过程。软件模块包括前处理模块、分析计算模块和后处理模块。用户可根据需要自动生成规则或随机裂隙网络模型,无需进行有限元网格剖分;计算模块参数设定简单,收敛速度快且精度高;后处理模块可将计算结果以等值线、等势线、流量分布显示,也可将计算结果以图表和曲线形式显示和输出。

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软件功能及特色

1、通过将自由面边界上的流量平衡条件以及潜在溢出边界上的互补条件转化为变分不等式提法中自然边界条件,解决了溢出点的定位问题。

2、能够模拟有自由面的裂隙岩体稳定/非稳定渗流,预测坡体内部自由面随库水位变化的演化过程,能够很好地描述二维裂隙网络渗流的非均质性、各向异性、优势流效应。

3、能够模拟裂隙岩体的饱和/非饱和渗流,预测湿润峰面的推进演化过程。

4、具有排水措施的模拟功能,能够计算上、下游边界以及排水孔、洞等排水系统的溢出流量,为工程裂隙岩体防渗排水系统确定优化布置方案。

5、可将连续介质等效成虚拟裂隙网络,进行稳定/非稳定,饱和/非饱和渗流计算分析。


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案例1: 均质矩形坝

有一均质矩形坝(图1),坝高12m,宽10m,底部边界隔水,上游水位10m,下游水位2m。采用间距为0.2m,有着常水力开度的两组正交裂隙形成的裂隙网络来模拟均质矩形坝的渗流,则裂隙的等效隙宽可以表示为

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式中,k为坝体材料的渗透系数,B为裂隙间距。计算中选取均质坝体的渗透系数 = 4.13x10^-3 mm/s,则裂隙的等效隙宽=0.1mm图1给出了自由面的经验解及裂隙网络渗流数值计算结果,其中经验解为

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对于渗流溢出点,经验解为 z=4.47 m,数值解为 z=4.27m。表明数值解与经验解较为吻合,但数值解的自由面降落略大于经验解。

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图1  均质矩形坝

案例2: 带水平滤层的均质土坝

对于此例的自由面有Kozeney基本抛物线 x=x0 - z^2/4*x0FracSeep-2D的数值解与解析解对比结果如图2.1所示。

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图2.1 带水平滤层的均质土坝

案例3: 船闸边坡

    某船闸边坡设置6层排水洞,高程分别为43,71m,101m,123m,143m和163m,断面尺寸均为3m*2.5m。图3.1-图3.2给出了船闸边坡在无排水洞和有排水洞条件下的自由面位置、坡体内部压力水头和流量分布,由此可以看出,最下层的排水洞并没有发挥排水作用,其位置可以进行优化。

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图3.1 船闸边坡自由面和压力水头分布


案例4: 均质坝非稳定渗流

该算例来自Desai and Kuppusamy (1980)的模型试验。图4.1给出了模型坝的尺寸和水头边界条件。图4.2给出了模型试验、Desai and Kuppusamy的数值解,以及FracSeep-2D的计算结果。由于FracSeep-2D很好地克服了溢出点奇异性问题,计算结果更好地吻合试验结果。

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(a)                                                       (b)

图4.1 大坝模型和水头边界条件

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(a)                                                       (b)

图4.2 模型试验和计算结果的对比分析

案例5:

该算例考察了随库水位降落坡体内部自由面演化过程。左右岸河谷边坡几何对称,不同水位条件下同一时刻自由面的位置依然保持对称(图5.1);坡体内部发育裂隙不对称时,当库水位下降两岸边坡对外排水时,反倾裂隙不利于水体快速排出,致使自由面降速较慢,稳定自由面较高,导致坡体内部水压力较大,不利于边坡稳定;顺层边坡水体可以快出疏散,自由面位置迅速消落,稳定自由面高程相对较低,内部水压力相对较小(图5.2)。

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图5.1 对称河谷边坡自由面随库水位的演化



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图5.2 非对称河谷边坡自由面随库水位的演化

案例6: 指流演进

体内部发育有两组随机裂隙J1和J2,左右两侧边界均为隔水边界,顶部压力水头为1m,底部为自由溢出边界(图6.1)。第一种模型两组裂隙全部贯穿整个岩体;第二种迹长较短且间距较大,裂隙分布稀疏且连通性较差。计算时间步长取为1s,初始压力水头均为-1m;毛管压力-饱和度计算采用Van Genuchten模型。

图6.2给出两种裂隙模型不同时刻的压力水头分布图以及入渗锋面的演化状态。由于受不同隙宽大小的影响,入渗速度各不相同,湿润锋面的形态各异,局部区域分解成手指的形状进行流动。入渗过程中随着时间的增长,连通性较好的裂隙网络能够短时间内形成快速的垂直下渗通道,这些通道的入渗速度远远大于其它裂隙;而连通性较差的裂隙网络的湿润锋面向下推移速度相对迟缓,内部压力水头增长较慢。由此说明,裂隙网络连通性对非饱和入渗状态有着重要影响。

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(a)     Case 1                                        (b)     Case 2 

图6.1  两种连通率不同的裂隙分布


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图6.2  入渗过程不同时刻的压力水头分布



1.  Jiang QH, Yao C, Ye ZY, Zhou CB. Seepage flow with free surface in fracture networks. Water Resources Research, 2013, 49(1):176-186.

2.  Yao C, Jiang QH, Wei W, Zhou CB. The variational inequality formulation for unconfined seepage through three-dimensional dense fracture networks. Sci China Tech Sci, 2013, 56(5): 1241-1247.

3.  Jiang QH, Yao C, Ye ZY, Zhou CB. A numerical procedure for transient free surface seepage through fracture networks. Journal of Hydrology, 2014, 519: 881–891.

4.  Zuyang Ye, Qinghui Jiang, Chuangbing Zhou, Yanzhang Liu. Numerical Analysis of Unsaturated Seepage Flow in Two-Dimensional Fracture Networks. International Journal of Geomechanics, 2017, DOI: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0000826

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