戴前伟， 孔重阳， 雷 轶， 张 彬， 韩行进

(1.中南大学 地球科学与信息物理学院， 湖南 长沙 410012； 2.中南大学 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室， 湖南 长沙 410012； 3.五凌电力有限公司， 湖南 长沙 410004)

1 研究背景

水利工程中水坝的修建能调节控制下泄水量，从而降低洪涝等灾害带来的影响，并且提高水资源的利用率，满足人们生产和生活的需要。无压渗流问题在岩土工程、水利工程、地下水等领域广泛存在，渗流或者孔隙压力过大会导致水坝失稳[1]。土石坝作为最常见的一种水坝类型，其坝体具有一定的透水性，在水的渗流作用下容易发生渗漏而遭到破坏[2-4]，因此需要对土石坝的渗流安全问题进行更深入的研究。

目前，坝体的工程设计、施工、检测等常常要求探测出自由面的位置，从而对坝体的渗漏情况进行初步判断并提前做好相应的防渗措施，然而自由面的位置和形状是事先未知的，并且在求解过程中会不断发生变化[5]，如何能高效准确地确定自由面以及渗流溢出点的位置正是渗流分析中需要解决的关键问题[6]。渗流分析中最常用的方法是数值模拟，不同的数值模拟方法已经被国内外的水文地质学者们应用于相应的研究之中[7]。Neumann[8]率先利用固定网格的有限元法对渗流自由面问题进行了求解，其主要特点是在求解渗流自由面的迭代过程中不对原始单元网格进行修改和调整。付延玲等[9]将整个求解域的网格单元划分为3种类型，在处理过渡单元的渗透矩阵时，引入了双参数罚函数，利用流量等效法对渗透系数进行调整，提高了计算过程的效率以及结果的精度。……