含水层和土壤的随机特征对水分运动的影响

将土壤或含水层的介质参数视为随机分布,建立了饱和非饱和水流运动的随机微分方程,利用随机数值求解方法,得到各种随机参数对水头分布和含水量空间变异性的影响。分析结果表明,随着渗透系数空间变异性和相关尺度的增大,含水层水头分布的变异性增大;对于区域内有抽水井分布的问题,在井点附近区域,z向水流速度空间变异性大,而在井点处变异性较小。当采用Gardner-Russo模型描述非饱和水分特征时,其非饱和土壤介质参数α的变异性对土壤负压和含水量变异性的影响大于饱和渗透系数,土壤含水量越小,含水量的空间变异性越大。初步讨论了根据随机数值方法研究地下水运动问题的可靠性分析方法。     

融雪入渗条件下边坡渗流计算及稳定性分析

本文利用饱和非饱和渗流有限元方法,参考积雪厚度、温度变化与融雪入渗关系统计资料,对积雪深度、气温变化以及坡度等不同条件进行了边坡融雪入渗渗流计算及稳定性分析。本文条件下计算结果表明:同一坡度下融雪入渗系数和坡面一定范围内的含水量及压力水头随积雪深度增加而增加,积雪深度达1.0m时,融雪入渗垂直影响范围为30.0m,边坡暂态饱和水位升高13m;相同积雪深度条件下,坡度越大,融雪入渗系数越小,坡内压力水头及含水量变化越小,30°边坡融雪入渗垂直影响范围最大为30.0m;同一积雪深度和坡度下,融雪入渗系数及坡面附近压力水头均与气温变化幅度呈正相关关系。根据极限平衡计算,边坡的稳定系数随着融雪过程的持续而降低,积雪深度、边坡坡度或温度变化越大,安全系数降低幅度越大;其中,坡度因子对边坡安全系数的影响最为显著,60°边坡受融雪影响安全系数降幅达9.7%。     

潜水摄动有限元的随机数值模拟

潜水水流的动态随机模拟是一个复杂而难解决的问题.通过建立二维潜水非稳定流模拟的摄动随机有限元模型, 把控制方程的主要参数渗透系数和给水度随机变量、及源汇项和边界条件看作随机变量.在充分考虑4种随机因素的条件下, 推导出求解潜水二维非稳定流均值和方差的9个方程; 重点介绍了不同方程数值离散的特殊处理方法.通过设定理想例子对模拟结果进行了分析, 表明随机变量中边界条件值方差、渗透系数方差变化对水头方差变化的影响很小, 给水度方差的变化对水头方差的变化影响很大.本模型考虑因素全面, 对一般的潜水非稳定流随机模拟都可应用.本研究给出了边界、渗透系数、给水度的随机因素对潜水动态模拟的影响, 丰富和补充了地下水运动的随机理论.      

挟沙水流紊动特征的小波分析研究

采用三阶Db3小波函数对挟沙水流脉动流速进行消噪,小波分析较好的时频特性能有效地消除原始信号的高频噪声。将消噪后的脉动流速用不同尺度的小波进行分解,较大尺度下的小波分解刻划信号的总体趋势和形状,体现湍流的相干结构;而较小尺度下的分解则反映信号变化较快的高频部分,反映湍流的小尺度旋涡的各向同性的无序紊动特性。     

具有不同转折角度的复杂单裂隙水头损失试验研究

裂隙是岩溶含水系统的重要组成部分,裂隙水流运动对岩溶含水系统水流运动起到重要的控制作用。利用自行设计研制的具有不同转折角度、不同裂隙开度的复杂单裂隙物理模型,通过室内物理试验得到有、无裂隙条件下,水头差变化曲线,并基于能量方程推导得出水流流经裂隙时产生的总水头损失计算式,计算得到不同裂隙开度(1～2.6 mm)、不同流速(0～40 cm/s)条件下,裂隙总水头损失对不同转折角度(0°～165°)的变化曲线,利用修正立方定律和达西-魏斯巴赫公式计算裂隙平行部分的沿程水头损失,总水头损失与之相减得到转折角处的局部水头损失。结果表明:随裂隙开度增大,流速增大,裂隙总水头损失、转折处局部水头损失均呈增大趋势,且流速越大,趋势越明显;对水头损失与平均流速之间的关系曲线进行拟合分析,发现裂隙总水头损失、转折处局部水头损失与平均流速之间均呈二次函数关系,可用Forchheimer方程描述,且总水头损失、局部水头损失与平均流速之间函数关系的二次项系数随裂隙开度增大基本呈增大趋势,最终得到二次项系数分布的上包线与下包线,而一次项系数分布比较集中,总水头损失的一次项系数分布于-0.1～0.5之间,转折处局部水头损失的一次项系数分布于-0.1～0.25之间。     

基于钻孔高压压水试验非线性流模拟计算错动带渗透参数

高坝大库建设过程中,往往需要确定工程区附近岩土体在高水头作用下的渗透参数,钻孔高压压水试验是其中最常用的方法之一。与其他试验相比,高压压水试验具有很高的水头和渗流速度,很容易出现非线性渗流,这种情况下达西流公式不再适用,因此,亟需一种基于钻孔高压压水试验确定非线性参数的求解方法。本文建立了钻孔高压压水试验的非线性流数学模型,采用有限差分的方法,得到了阶梯水头变化情况下非线性流数学模型的数值解,并验证了该数值解的准确性。在此基础上讨论了非线性参数对水头和流速的影响,结合白鹤滩水电站玄武岩错动带现场高压压水试验,进一步验证了该方法的可靠性。结果表明,当非线性参数k和径向距离r保持不变时,非线性参数β越大则试验过程中的水头h和流速v都越小;当非线性参数β和径向距离r保持不变时,非线性参数k越大则试验过程中的水头h越小、流速v越大;且较大的β和k均会使得高压压水试验能更快地趋于稳定状态。如果仍按照达西流公式进行计算,将会高估透水介质中的水头,进而高估玄武岩错动带结构面抵抗渗透破坏的能力,最终对工程稳定性产生不利影响。在白鹤滩水电站进行的钻孔高压压水试验过程中地下水发生了非线性运动,求得C₂错动带的非线性参数β=1.62 min ·m-1,k=9.60×10-3m ·min-1,该方法对于现场确定错动带非线性参数有较好的适用性。     

非均质性对非饱和-饱和系统 水流时空变化的作用

通过模拟均质和非均质两种情形下非饱和-饱和系统中压力水头的时空变化,研究非饱和-饱和系统对水流波动的 阻尼作用和系统非均质性对水流波动的作用。结果显示,两种情形下非饱和-饱和系统对水流波动均有阻尼作用,随深度 增加,压力水头波动减弱,方差、自协方差和功率谱减小;压力水头在早期因初始条件做非平稳波动,而后随时间增长演 变为平稳波动;系统的非均质性加剧了压力水头的波动,是波动的主要来源,使得压力水头方差、自协方差和功率谱增 大;非均质性减小压力水头波动的短期相关性。     

冻结作用下非饱和黄土水分迁移试验研究

通过室内大尺寸非饱和黄土冻结作用下水分迁移试验,开展了土体密度、含水量、冻结温度、冻结方式对非饱和黄土水分迁移影响的研究.试验结果表明:冻结过程中土样温度变化分为3个阶段:急剧降温阶段,缓慢降温阶段,稳定阶段; 干密度越大,稳定冻结锋面的水分迁移量越大,但冻结区的整体水分增量越小; 初始含水量越大,水分迁移量越大,并且在冻结锋面处含水量增幅越大; 在未冻结区,从邻近冻结锋面到暖端,含水量先增大后减小,初始含水量越小,这种现象越明显.此现象是冻结界面抽吸力、温度梯度和基质吸力梯度共同作用的结果.冻结方式直接影响已冻结区的含水量分布和水分迁移总量.     

灌水定额对玉米膜孔灌土壤水氮运移特性影响试验研究

通过玉米膜孔灌测坑试验,分析了灌水定额条件下的膜孔灌农田土壤垂直剖面水氮分布规律。经研究表明：灌水定额越大,土壤含水量越大,分布范围越广,土壤80~100 cm层的含水量越高;灌水定额越大,土壤表层（0~20.0 cm）含水量变化越大,硝态氮含量越小,变化越大,对深层80~100 cm硝态氮含量影响越大;随灌水定额的增加,硝态氮累积峰越靠下,低、中、高灌水定额的硝态氮累积峰分别出现在30 cm4、0 cm5、0 cm左右,高灌水定额时,增加了硝态氮的淋失,不利于作物对水氮的吸收。     

矩形狭缝裂隙水流运动特征数值模拟研究

裂隙水流运动规律的研究对岩溶地区水资源合理开发利用以及裂隙岩体渗流理论发展具有重要意义。为探讨立方定律在矩形狭缝平行裂隙中的有效性以及裂隙水流运动特性,对不同尺寸的矩形狭缝平行裂隙水流运动进行数值模拟,基于模拟结果,利用极限流速和极限雷诺数的概念对立方定律在矩形狭缝裂隙中的有效性进行了验证,提出适用于矩形狭缝裂隙的修正立方定律。分析了矩形狭缝裂隙渗透系数随裂隙开度、宽度以及宽度与开度比值的变化,结果表明：裂隙开度越大,宽度越大,渗透系数越大,渗透系数随裂隙宽度与裂隙开度比值的增大而增大,二者之间呈指数关系。对裂隙水流流速分布剖面进行分析,结果表明：裂隙开度越大,流速分布越偏离泊肃叶分布,且离裂隙中心线越近,绝对偏差越大,相对偏差沿质点位置呈波动变化,变幅较小;流速越大,流速分布越偏离泊肃叶分布,在裂隙中心线处最大,离裂隙壁越近,偏差越小,而相对偏差随流速的变化幅度相对较小,表现为集中型;裂隙宽度越大,对流速分布影响越小。     

海域岛隧结合区水流结构和沉管沉放过程水流力试验研究

港珠澳跨海通道由东、西人工岛实现桥隧过渡,海中隧道采用沉管法,沉管段总长5 664 m,从西人工岛开始布置E1—E33管节,标准管节长180 m,宽37.95m,高11.4 m,重约8万t。岛隧结合区受到人工岛挑流和基槽开挖水深突变的影响,水流结构复杂,沉管沉放时也会引起水流变化。沉管安全沉放和精准对接安装需掌握受到的水流力大小。利用宽水槽几何比尺为100的正态模型,开展岛隧结合区水流分布和沉管沉放过程水流力试验研究。结果表明:岛头无掩护措施时,岛壁挑流影响到E1管节中部附近,表、底层流速大于中层;E1管节沉放过程中纵向水流力最大可达4 601 kN,E2管节纵向水流力平均5 149 kN;掩护E1管节后,E1管节处流速大幅减小,E2管节中部受掩护体挑流影响最大,流速最大增加40%,中层流速大于表、底层;E2管节纵向水流力平均5 240 kN。当沉管完全入水后,基槽内流速较小,沉放过程中受到的水流力逐渐减小。岛隧结合区水流垂线分布并不是指数分布,受到岛头壁挑流的影响沿管节长度方向流速分布也不均匀,管段浮运水流力公式并不适用计算沉管沉放过程受到水流力的大小。     

Experimental and numerical investigation of groundwater head losses on and nearby short intersections between disc-shaped fractures

Discrete fracture models are used for investigating precise processes of groundwater flow in fractured rocks,while a disc-shaped parallel-plates model for a single fracture is more reasonable and efficient for computational treatments.The flow velocity has a large spatial differentiation which is more likely to produce non-linear flow and additional head losses on and nearby intersections in such shaped fractures,therefore it is necessary to understand and quantify them.In this study,both laboratory experiments and numerical simulations were performed to investigate the total head loss on and nearby the intersections as well as the local head loss exactly on the intersections,which were not usually paid sufficient attention or even ignored.The investigation results show that these two losses account for 29.17%-84.97%and 0-73.57%of the entire total head loss in a fracture,respectively.As a result,they should be necessarily considered for groundwater modeling in fractured rocks.Furthermore,both head losses become larger when aperture and flow rate increase and intersection length decreases.Particularly,the ratios of these two head losses to the entire total head loss in a fracture could be well statistically explained by power regression equations with variables of aperture,intersection length,and flow rates,both of which achieved high coefficients of determination.It could be feasible through this type of study to provide a way on how to adjust the groundwater head from those obtained by numerical simulations based on the traditional linear flow model.Finally,it is practicable and effective to implement the investigation approach combining laboratory experiments with numerical simulations for quantifying the head losses on and nearby the intersections between disc-shaped fractures.     

瞬态横向振动桩的Winkler参数

应用Fourier变换,推导了瞬态横向振动桩桩周土阻力在频率域中的Baranov公式,并得到瞬态横向振动桩Winkler参数k和c的表达式。该式因计算复杂不便于桩瞬态横向振动的计算,笔者应用Hankel函数渐近展开式得到k和c的简化式。对桩的瞬态横向振动的计算表明,简化式的精度满足要求,且大大提高了计算速度。     

拟焦沙模拟低含沙量异重流运动初步分析

低含沙量异重流带来大量细颗粒浑水,由于颗粒沉速极小,在山区、高原地区的引调水、水环境、水处理等方面带来难以估量的困难,引起了社会和设计部门重视。以金沙江支流牛栏江上德泽水库回水变动区上下游河段为原型,利用概化水槽试验研究拟焦沙模拟低含沙量异重流形成与运动,探究低含沙浑水异重流运行时头部流速及含沙量沿程变化特征。结果表明:头部流速及含沙量沿程逐渐减小;相同流量不同含沙量所形成的中层、底层异重流头部流速,含沙量越大,同一位置头部流速越大;相同流量和含沙量所形成的表层、中层、底层异重流头部流速,表层异重流头部流速最大,底层异重流次之,中层异重流最小。     

准饱和黄土中暗穴水动力扩展响应的研究

为分析强降水过程中暗穴扩展机理,在野外调查资料的基础上,建立了准饱和黄土暗穴的扩展计算模型,概化为弹性准饱和土层中无限长圆柱形孔洞表面受水压力的动力响应问题。通过引入势函数,得到了Lap lace变换域中的应力、位移及孔隙水压力的解析表达式,并利用数值逆变换方法求得时域解,分析了降雨历时及饱和度等因子对暗穴动力响应的影响。结果表明,水动力是引起黄土暗穴扩展的主要因素,水压力作用历时对位移及应力有较大的影响,同时饱和度的细微变化对径向位移有显著影响。     

The effects of removing bed materials on flow velocity (case study: Zaremrood River, Iran)

Nowadays, in parts of Iran, rivers and flood plains are being used as sand and silt mines, and the removal of river bed materials is performed without studying its effects on hydraulic behavior. On the other hand, the flood plain lands are in danger of floods and bank erosion. Zaremrood River in Tajan watershed due to removal of river bed material, two planes of before and after removal with scale of 1:1,000, has been used as basic data. The field investigation was emphasized on the end part of Zaremrood with a length of 5 km and starts from Ghandikola village to Ahoodasht Bridge. Using total station and field observations, the characteristics of reaches and cross sections of right bank, left bank, and main bed of river are written separately. Using software of HEC-RAS, ArcView 3.2, and extension HEC-GeoRAS, the flood zoning with different return periods to investigate water velocity and its changes, geometrical simulation of the bed, sides and flood way of rivers, and then by entering the results of HEC-GeoRAS into hydraulic software HEC-RAS for two before and after planes have been performed, and flow velocity was analyzed for three return periods of 10, 50, and 100 years. The results of this research showed that the velocities due to removal for floods with different return periods have increased, whereas water height and level during removal period have decreased.     

粉性土毛管水的力学和工程特性

阐述了毛管水对土体强度、变形和渗流的影响。粉性土既有较高的毛管水头,又有一定的渗透性,水压传递快;毛管水对此类土的地基、基坑和堤坝等工程有明显的影响。研究的主要成果有：①根据试样浸水与否的无侧限抗压强度比较试验及理论分析,证明毛管水张力增高了土体强度,强度增高的数值,试验结果和理论分析相符;②计算分析雨季粉性土地表层毛管水张力消失和土体膨胀的过程;③借砂模试验和电拟试验,分析了毛管水对堤坝渗流流态的影响,毛管水增高了渗流量和出逸点高度;④提出了砂土和粉性土毛管水头hc和渗透系数k新的经验计算式。研究成果可应用于粉性土地基、基坑和堤坝等工程。     

A continuous/discontinuous Galerkin framework for modeling coupled subsurface and surface water flow

We consider conjunctive surface-subsurface flow modeling, where surface water flow is described by the shallow water equations and ground water flow by Richards’ equation for the vadose zone. Coupling between the models is based on the continuity of flux and water pressure. Numerical approximation of the coupled model using the framework of discontinuous Galerkin (DG) methods is formulated. In the subsurface, the local discontinuous Galerkin (LDG) method is used to approximate ground water velocity and hydraulic head; a DG method is also used to approximate surface water velocity and elevation. This approach allows for a weak coupling of the models and the use of different approximating spaces and/or meshes within each regime. A simplified LDG method based on continuous approximations to water head is also described. Numerical results that investigate physical and numerical aspects of surface–subsurface flow modeling are presented. This work was supported by National Science Foundation grant DMS-0411413.     

江苏洪泽顺河集南石盐矿水溶性能试验

通过江苏洪泽顺河集南石盐矿样品室内水溶试验,研究该盐矿的水溶性能。结果表明：该矿上溶溶解速度和溶蚀速度大,侧溶溶蚀速度小于上溶溶蚀速度,但样品侧溶角小、溶解空间大、卤水膨胀率低,有利于水溶开采时水资源的利用;水不溶残渣膨胀率平均仅为2.18%,溶腔被残渣充填范围小,有利于上溶生产;残渣中的石盐残留量为23.03%～35.60%,开采过程中损失较少,利用率较高;卤水成分中NaCl含量高,有利于进一步加工利用。