自由面是渗流场数值模拟的关键,在地下洞室中渗流场的分布受到开挖边界影响,会形成许多溢出边界。本文在Signorini型变分不等式的基础上改善了溢出边界的迭代算法,使得该方法在地下洞室渗流模拟中收敛速度更快,并且在自由面和流量计算中有较高的精度。渗流场反演是确定渗透系数、边界条件和评价工程渗透稳定性的主要方法。本文通过混合优化智能算法结合地下洞室三维渗流场溢出边界有限元方法建立了地下洞室渗流场双目标反演模型,并将其运用于天荒坪抽水蓄能电站的渗流场反演,最后根据反演结果评价了工程区的渗透稳定性。其主要内容包括:(1)介绍了 Signorini型变分不等式基本概念,根据渗流有限元基本表达式,结合变分法的基本思想推导渗流求解的有限元公式,并给出流量的有限元计算公式,确定了地下洞室三维渗流场数值模拟的理论基础。(2)在郑宏提出的变分不等式运用于渗流自由面计算的基础上对地下洞室溢出边界进行模拟,改进了迭代计算方法以及收敛条件,提高了收敛速度同时保证了计算精度。程序能够有效计算地下洞室渗流自由面和渗流量,并通过算例进行验证。(3)通过几种智能方法的简单比较,将粒子群优化和细菌觅食优化混合算法运用于渗流反分析计算,实现了水头误差和流量误差双目标函数的反演算法,给出了渗流反演分析的模型和计算方法。将地下洞室三维渗流场计算程序与该优化算法程序结合形成地下洞室三维渗流场反演程序,并通过算例进行验证。(4)建立天荒坪抽水蓄能电站地下洞室三维有限元模型,根据监测资料,利用地下洞室三维渗流场反演程序进行反演计算,并评价反演效果。通过反演结果评价岩体和帷幕的渗透特性。