渗流场与应力场耦合分析在地质科学中的应用

本文论述了渗流场与应力场耦合分析的基本原理及其在石油勘探，成矿预测及斜坡稳定性评价中应用的理论基础和技术路线。     

岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型

岩体系统具有复杂的结构。一般认为，岩体系统是非均质各向异性不连续的多相介质体系。当岩体以裂隙为主，且其分布较密集时，可将岩体系统看作等效连续多相介质体系。本文运用等效连续介质理论，提出了两种岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型：一是以渗透水压力与隙变形关系、应力与渗透系统数关系为基础，建立渗透系数张量计算公式，进而建立等效效连续介质渗流为数学模型。以裂隙岩体应变张量分析为基础，建立裂隙岩体效应力张量     

水下盾构隧道渗流场应力场耦合效应研究

在高水压条件下施工水下盾构隧道,渗流场对于结构及围岩应力场有很大影响。结合重庆主排水过江盾构隧道的修建,针对不同水压情况下的盾构隧道,采用有限元法对围岩及结构的渗流场和应力场进行耦合分析,获得施工期管片应力、位移及孔隙水压力分布。重点研究了管片的水压力分布规律,并与现场试验进行相互验证。结果表明：耦合效应下隧道管片需要承担更大的拉力,在设计中应按更不利工况进行配筋。所得结论为类似工程的设计施工提供有了益参考及依据。     

渗流场与应力场耦合分析在地质科学中的应用

论述了渗流场与应力场耦合分析的基本原理及其在石油勘探、成矿预测及斜坡稳定性评价中应用的理论基础和技术路线。     

渗流场与应力场相互关系研究中应注意的两个问题

渗流场与应力场耦合模型应反映双场相互作用的真实过程;双场耦合模型必须以概念模型为基础。     

岩体水力学基础（六）——岩体渗流场与应力场耦合的双重介质模型

岩体是由裂隙和其间的岩块组成,本文在分析了岩体的结构特点之后,阐述了狭义双重介质,广义双重介质的概念,提出了岩体渗流场与应力场耦合的狭义双重介质模型和广义双重介质模型。     

岩体渗流场与应力场耦合的集中参数型数学模型研究

本文在分析岩体的地质特征、参流特征的基础上,提出了岩体渗流场与应力场耦合的集中参数型数学模型,给出了耦合集中参数型数学模型辨识的递推公式,讨论了该模型的应用前景。     

渗流场和应力场对复杂岩溶隧道支护的影响分析

本文以某高速公路复杂岩溶隧道为依托,采用数值模拟和现场测试的方法分析了在应力场、渗流场和应力场耦合场作用下,Ⅴ级围岩洞周变形、支护结构及塑性区的受力特征,探讨了不同注浆圈施作后隧道渗水压力和支护变形分布规律。数值计算结果表明：渗流场和应力场耦合场作用下的洞周围岩和初期支护位移均大于只考虑应力场的情形。为使隧道支护结构安全,模拟了不同注浆圈厚度下的注浆效果,得出应力场作用下的注浆圈厚度至少达到8 m;而双场耦合时,注浆圈厚度要至少达到10m以上。最后通过变形监测数据验证了所得注浆圈厚度的计算是合理的,为西南片区类似复杂岩溶隧道工程提供了借鉴。     

裂隙网络非连续介质渗流场与温度场耦合分析研究

在岩体水力学研究中,一个重要问题就是岩体渗流场与温度场的耦合分析。笔者关注了国内外相关的研究,对其发展的趋势进行了展望。系统综述了裂隙岩体渗流-温度耦合的研究情况,阐明了裂隙岩体三种渗流模型的特点、适用范围及裂隙网络非连续介质模型的研究概况,分析了裂隙岩体渗流-温度耦合作用研究及工程应用。最后,提出基于裂隙网络非连续介质渗流温度耦合分析是目前亟待解决的课题,并指出今后需要深入研究的问题。     

填埋气体运移渗流场-应力场耦合模型及数值仿真

基于流固耦合机制和多孔介质流体动力学理论,根据Landgem产气方程、气体状态方程,结合达西定律、有效应力原理,建立了渗流场-应力场耦合填埋气体运移模型。利用伽辽金方法对模型进行了离散,通过有限元方法对耦合作用下填埋气体压力分布规律进行了数值仿真分析,同时对垃圾填埋变形介质参数以及垃圾降解系数对填埋气体产气量影响进行了定量评价,表明耦合作用下抽气时孔隙结构发生改变,阻滞气体的运移,导致耦合作用较未考虑耦合作用的气体压力低。垃圾填埋气体的产气量小,对变形介质参数和降解系数的定量评价结果表明,垃圾填埋气体的产气量随着渗透系数和降解系数的增大而增加,因此耦合作用不能忽略。这不仅为准确控制气体的挥发与扩散以及气体资源的再利用提供可靠的理论依据,而且对于生态环境的保护和垃圾资源化利用具有重要的理论意义和实际应用价值。     

心墙堆石坝应力状态对渗流场影响的有限元分析

一般对土石坝进行渗流分析时都未考虑坝体的应力场对渗流场的影响。然而,在土石坝的蓄水过程中,坝体内的应力状态复杂且变化大,对渗流场的影响也较大。因此,忽略应力场对渗流场的影响必然造成一定的误差。用有限元方法对心墙堆石坝体蓄水过程中考虑和不考虑应力场影响的渗流场进行对比分析,计算结果表明,渗流-应力耦合作用下坝体局部压密变形,渗透流速减小,心墙下游出逸区域的水力坡降峰值明显高于非耦合值。因此,渗流分析时有必要考虑应力场的影响,否则会得出偏于危险且对工程不利的结果     

Stochastic analysis of unsaturated seepage through randomly heterogeneous earth embankments

Spatial variability of material properties is inherent in both natural soil deposits and earth structures, yet it is often ignored during geotechnical design. With the objective of developing novel methods for assessing the effects of soil variability on groundwater flow, this study presents a stochastic finite element model of seepage through a flood defense embankment with randomly heterogeneous material properties. Stochastic modeling is undertaken by means of a Monte Carlo simulation which involves a large number of finite element analyses, each with randomly varied porosity at element level, which leads to a corresponding random variation of both permeability and water retention properties across the embankment domain. This provides a statistical distribution of responses, such as total flow rate and time to reach steady state, instead of a single deterministic result as in conventional studies of seepage through unsaturated heterogeneous soils. As the degree of heterogeneity increases, water tends to flow along the most permeable paths inside the soil mass, resulting in an irregular shape of the predicted wetting fronts and pore pressure contours. The mean and standard deviation of the computed quantities strongly depend on the statistics of the input porosity field. Simulations are also conducted to compare the statistical variation of flow rate with and without dependency of the water retention curve on porosity. With recent growth in computer speed, stochastic finite element models based on the Monte Carlo approach can become a powerful design tool, especially if a quantitative assessment of geotechnical risks is required. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

土质边坡非饱和渗流场与应力场耦合数值分析

阐述了坡面径流-非饱和渗流分析与应力场耦合分析的重要意义和作用;介绍了在非饱和渗流分析中具有重要作用的土-水特征曲线,包括考虑固结压力条件下的土-水特征曲线,并介绍了部分试验成果以及坡面径流-非饱和渗流耦合分析的计算方法;提出坡面径流-非饱和渗流分析与应力场的耦合计算方法,并编制相应的有限元程序;通过算例对比了耦合与非耦合情况下应力场、渗流场的差异,说明耦合分析更符合实际,且所提出的方法是切实可行的。     

水位波动下非饱和心墙土坝体的渗流和稳定性

基于Richards方程,对坝体的饱和-非饱和渗流场进行了模拟,再根据饱和-非饱和渗流场和非饱和土抗剪强度公式,对坝体的稳定性进行了分析。结果表明,水位骤降过程中坝体的安全系数通常呈现先缓慢增加后迅速减小的变化过程,分析坝体失稳时塑性区和位移场发现,水位下降的初期,坝体左侧坡体的安全系数要低于坝体右侧坡体,但水位下降到一定程度,右侧坡体的安全系数迅速减小,并先于左侧坡体失稳;采用有限元强度折减法用于多坡面边坡稳定分析时,只能获得最小安全系数的包络线;心墙具有隔水防渗的作用,对水位变化渗流具有阻尼作用。     

米箭沟尾矿坝加高方案渗流场数值分析

米箭沟尾矿坝为了进行加高设计而进行了尾矿库区的地质钻孔勘探。基于实际钻孔勘探成果的最佳反演分析各分区-尾矿砂、风化岩体和初期坝堆石体的模型渗透参数和加高设计方案,采用三维有限元数值计算方法,应用自主开发的3D-Seepage-Stress程序进行了该尾矿坝加高后渗流场数值分析,得出渗流场各要素分布图。可以看出,在此加高方案下,尾矿坝库区浸润线和溢出点都很高,不利于尾矿坝的稳定安全和运行管理。为此提出了在加高方案设计中加强排渗设施设计的初步方案与建议。     

基于ANSYS/APDL语言的黄壁庄水库土坝渗流稳定分析

根据基本方程及定解条件的比较分析,将ANSYS软件的温度场分析功能应用于渗流场的分析,利用APDL语言实现了渗流参数化建模,采用死活单元技术,通过迭代算法计算浸润线位置,解决了黄壁庄水库土坝渗流稳定问题的求解,为今后该大坝的工程管理及安全提供了理论依据。     

陡坡水库大坝渗透稳定性及渗透变形分析

陡坡水库存在大坝质量差、坝体发育大量裂缝、背水坡出现散浸现象、坝后沼泽化并形成一上升泉以及排水渠和鱼池有絮状析出物、渗漏量增大等问题,这些异常现象都是由坝体及坝基渗流引起的。在阐述坝体和坝基地质、水文地质条件情况下,分析了大坝渗漏成因及大坝的渗透稳定性,指出坝体实际浸润线及坝体渗漏量是不正常的,特别是1987年后当库水位高于194 m,同一库水位呈上升趋势,这是反常的。坝基实际渗漏量异常,存在管涌和接触冲刷问题,尤其库水位低至 193.84 m,坝后上升泉仍有沙沸现象。上述现象表明大坝渗流是危险的,并分析了散浸、析出物、上升泉及沼泽化、坝肩及绕坝渗漏等现象的成因。     

泄洪雾雨区裂隙岩质边坡饱和-非饱和渗流场与应力场耦合分析

岩质滑坡除与地质条件、降雨等因素有关外,泄洪雾雨也成为其不可忽视的催化剂。通过裂隙岩体渗透性与应力关系,裂隙岩体的弹塑性本构关系以及渗流场的控制方程,建立起饱和非饱和渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型。编制了有泄洪雾雨影响的饱和-非饱和渗流与应力耦合三维有限元程序,通过迭代求解达到两场耦合目的。以实际工程为例,根据边坡的地表信息、开挖信息、岩层分界信息以及排水洞和帷幕信息等,建立起边坡地质模型。通过耦合计算,详细分析了耦合后边坡岩体的变形、应力以及塑性区等。计算结果表明,雾雨区的边坡稳定与渗流场变化有着重要关系,在评价边坡稳定与否时,要考虑渗流场对其影响。计算成果为实际工程的安全评价提供了一定的科学依据。     

渗流作用下软基心墙坝稳定性分析

基于心墙坝的渗流特性建立了渗流分析模型和坝坡渗透稳定分析模型,并进一步考虑坝下软土地基的压缩特性提出了与当前应力状态有关的软土层渗流分析模型,将所建模型应用于某水利枢纽主土坝典型软基断面不同运行工况的计算,详细分析了心墙的防渗作用和软土层变形对渗透稳定的不良影响。