堤坝中饱和与非饱和渗流计算方法研究

本文研究了堤坝渗流分析的一种新方法:饱和——非饱和渗流的有限单元数值方法。主要研究内容是根据饱和——非饱和渗流规律建立数学模型,将坝内饱和区与非饱和区偶合在一起,构成整体的分析模型。数值计算结果表明自由水面线,等压线分希合理,同时与模型试验资料颇为一致。此外,在进行了饱和,饱和——非饱和土坝渗流数值计算的基础上,对比了二种计算方法和数值计算结果。表明:饱和——非饱和渗流分析,无需进行自由面的调整,不存在给水度这个参数的选取问题,而且也避免了饱和渗流分析中有时因单元剖分不合理而出现“缺口”的现象。该数学模型较饱和渗流分析数学模型在物理概念上更为完善。     

饱和-非饱和岩土非稳定渗流有限元分析研究

本文对饱和－非饱和渗流有限元分析方法加以改进，提出了修正容水度和加速迭代收敛技术的新方法，消除了饱和－非饱和渗流计算中的数值弥散现象，提高了收敛速度。给出的算例说明了本文理论的正确性。     

饱和-非饱和渗流计算参数分析

在饱和 非饱和渗流计算中,非饱和渗流参数的选择至关重要。通过开展非饱和渗流参数试验及非饱和渗流模型试验,用模型试验结果作为评判标准,研究了VG模型代入法和试验数据法之间的差距,提出了"双参数VG模型"的方法。结果表明,利用"双参数VG模型"代入数值计算中,计算结果可以较好地和试验结果相吻合。     

岩体饱和/非饱和渗流表征单元体积浅析

岩体渗流表征单元体积(REV)是衡量等效连续介质渗流模型实用性的重要标准，也是数值计算中对岩体渗流进行网格剖分的基本尺度。本文从统计分析角度导出了岩体饱和渗流REV的表达式，从机理分析角度探讨了单裂隙非饱和渗透率表征单元面积(REA)随饱和度变化的关系。提出“REV-REA相似扩大假想”，建立了岩体非饱和渗流表征单元体积与单裂隙非饱和渗透率表征单元面积的相似对应关系。计算表明，在中等饱和度下单裂隙渗透率REA较小，而在低饱和度及接近饱和状态下单裂隙渗透率REA较大，文中从饱和度变化与沟槽流发育程度的关系对这一变化趋势进行了合理解释。算例中，采用开度分布的随机均匀场定量分析了单裂隙非饱和渗透率REA与饱和度的变化关系，基于REV-REA相似扩大假想求取了岩体非饱和渗流REV的大小。     

堤坝饱和非饱和渗流计算的有限单元法

对饱和与非饱和渗流计算的有限单元法进行了推导，并建立了数学模型。通过计算，比较了一般的饱和渗流与饱和一非饱和渗流两种模型的计算结果，并引用模型试验资料进行验证，其结果表明，饱和非饱和渗流计算方法具有不进行自由面调整等优点，在物理概念上更为完善。     

堤坝饱和与非饱和渗流计算的有限单元法

对饱和与非饱和渗流计算的有限单元法进行了推导，并建立了数学模型。通过计算，比较了一般的饱和渗流与饱和一非饱和渗流两种模型的计算结果，并引用模型试验资料进行验证。其结果表明，饱和非饱和渗流计算方法具有不进行自由面调整等优点，在物理概念上更为完善。     

复合土工膜缺陷渗漏试验的饱和-非饱和渗流有限元模拟

介绍了复合土工膜缺陷渗漏量室内物理模型试验以及缺陷渗漏量的经验拟合公式等成果。应用非稳定饱和-非饱和渗流理论和Galerkin有限元法,建立了三维有限元数值计算模型,对该试验进行数值模拟。根据物理模型试验试样的轴对称性,选取中心角10度的试样建立精细三维有限元模型,详细模拟了室内试验条件下不同压力水头作用的渗漏在砂土试样中变化情况,并计算了渗漏达到稳定时的渗漏量。数值模型计算成果与物理模型试验结果变化规律一致,论证了数值饱和-非饱和渗流方法可以较好地模拟复合土工膜缺陷渗流场,并计算缺陷渗漏量。     

某大坝泄洪期间下游岸坡瞬态渗流场的数值模拟

大坝泄洪形成雾化及河水位上涨,影响下游岸坡内部渗流场的变化属于饱和-非饱和渗流问题.作者在饱和-非饱和渗流理论以及非饱和土水特征理论的基础上,以某水电工程岸坡为例,用数值分析的方法模拟在大坝泄洪中下游岸坡内部饱和-非饱和渗流场的时事变化,就孔隙水压力分布情况作专门分析.渗流场的时事模拟能够提供不同时刻点计算区域的含水量以及孔隙水压力大小分布,因此可以为岸坡的稳定性计算提供依据.     

河渠影响下土壤水—地下潜水联合运动的模拟研究

本文以饱和－非饱和流理论为基础，将非饱和土壤水与地下潜水作为一个整体进行研究，进而描述了灌溉河渠地表水与土壤水及地下潜水相互影响的形势。有限单元均衡的数值方法吸收了一般有限元法及有限差分法的优点。同时又体现了质量守恒原则，用于渗流方程的求解时更具有物理基础。本文还探讨了该法应用于渗流场计算时流速分布及断面物质通量的计算处理，对工程实际中的土壤水分滞后效应，变动边界条件及自由渗出面等难点也作了有益的     

库水位下降期土坝饱和：非饱和渗流的二维数值分析方法

本文提出一种计算土坝饱和——非饱和渗流的数值分析方法。该方法采用4节点等参元及三角形单元离散饱和——非饱和渗流域,用伽辽金有限元法结合隐式、向后差分法求解渗流控制方程。编有计算程序,可方便地用来计算库水位下降期土坝的非稳定渗流。文中对唐山陡河土坝进行了实例计算,并把计算结果同现场观测结果进行了比较。     

考虑非饱和区影响的土石坝渗流有限元计算

传统的有限元饱和渗流计算往往把渗透系数取作定值,而实际上非饱和土渗透系数呈非线性函数关系,与体积含水率、孔隙水压力密切相关.基于饱和-非饱和土渗流计算模型与原理,本文考虑渗流场非饱和区对堤坝渗流的影响,对某土石坝进行了渗流有限元计算与分析.算例结果表明,应用该思想与方法计算土石坝渗流,可以获得较为准确合理的渗流场计算结果.     

基于Level-Set法的有限元非饱和渗流方法在黄壁庄水库中的应用

针对传统非饱和渗流分析方法中忽略气相作用而导致无法处理气相参与的含自由面渗流这一问题,建立了一种耦合Level-Set法的有限元非饱和渗流分析方法。该方法基于有限元非饱和渗流分析理论,利用Level-Set方法隐式地捕捉自由界面,考虑了入渗过程中的气相可压缩性,能够反映多孔介质中水气两相界面的运动与融合,可以用来求解常规方法无法处理的气相参与的含自由面渗流问题,同时具有自由面构造简单、计算稳定性好、收敛速度快等优点。本文将该方法应用于黄壁庄水库在库水位骤升后出现坝前水面冒泡现象的原因分析中,模拟了该水库坝前水-气两相运移过程,揭示了冒泡现象发生的原因。计算结果表明,此方法可简单、直观地描述水气界面在多孔介质中的运动过程,模拟结果与实际情况较为符合。研究表明,黄壁庄水库坝前水面出现冒泡现象是由水位骤升将铺盖内的空气封住,并随水体入渗压缩空气,出现憋气现象,最后气体释放所致。     

饱和-非饱和非稳定渗流有限元分析方法的改进

对饱和-非饱和非稳定渗流分析的有限元计算方法加以改进,提出饱和度对渗透压力偏导数的修正公式,消除了饱和-非饱和非稳定渗流计算中存在的数值弥散现象和参数拟合不收敛现象,使迭代收敛速度提高了3倍。同时也消除了有限元迭代求解过程中的振荡现象。经实例证明,本文方法是有效可行的。     

土石坝渗流热监测理论研究进展

对渗流热监测理论各发展阶段特点与相关研究作了评述,着重介绍了定量研究阶段考虑渗流场影响推求温度分布的正演分析,详述了各渗流场与温度场耦合数学模型的基本原理、模拟对象、耦合机理与模型计算方法,总结了渗流-温度场耦合模型研究的趋势与问题。介绍了耦合模型计算的2个部分(渗流场计算与温度场计算)的研究现状与发展重点,阐述了研究基于非饱和渗流双场耦合的必要性和建立模型涉及的基本理论。对未来的研究提出几点建议:考虑有关参数的温变特性,提高模型仿真精度;开展基于非饱和渗流的耦合模型研究,丰富复杂条件下渗流热监测理论;加强由温度场求解渗流场的反演分析研究。     

KL展开在渗流场随机分析中的初步应用

在水力特性参数空间变异性的影响下,渗流场具有一定程度的不确定性。分析了随机场KL展开的特点,阐述KLME渗流随机分析方法的基本原理,发现利用KL展开的均方收敛性和摄动方法的渐进收敛性,并将随机偏微分方程转化为递推的确定性偏微分方程组求解,提高了计算效率;对非饱和渗流场进行随机数值模拟,考虑了非饱和渗透函数的参数场之间不相关、正相关和负相关3种情形,分析表明参数场之间的互相关性对渗流场的统计特征具有较大影响。     

非饱和渗流分析在FLAC3D中的实现和应用

基于FLAC3D内置的FISH语言,对其渗流模型进行了扩展。将实验室测得的原状黄土土水特征曲线,利用MATLAB实现了参数拟合。将拟合参数编写为子程序,在每步渗流分析中加以调用,从而实现非饱和土的渗流模拟。利用该方法与有限元法分别模拟3种边界条件下的一维入渗问题,并比较模拟结果。经验证,结果吻合。其结果对研究非饱和土理论及扩展FLAC3D在非饱和土数值计算方面的应用均具有一定的意义。     

降雨入渗条件下考虑裂隙和风化对煤系土堑坡稳定性影响分析

利用非饱和瞬态渗流有限元程序对不同裂隙和风化深度的煤系土堑坡进行了降雨入渗坡体渗流场数值计算和分析。并基于非饱和土力学强度理论,应用Morgenstern-Price方法,调用不同裂隙和风化深度的渗流计算结果对煤系土堑坡的瞬态稳定性进行了研究。结果表明:降雨对煤系土堑坡渗流场的影响仅局限于裂隙和风化区,堑坡内部渗流场的分布几乎没有变化;同时考虑裂隙和风化时,安全系数受降雨影响大,降雨入渗很容易引起堑坡的失稳。因此,在研究煤系土堑坡降雨入渗和稳定性分析中应考虑裂隙和风化层的影响,且研究成果为煤系土堑坡设计、施工和稳定性分析提供了依据。     

包气带垂向渗透系数的原位试验研究

野外试验测定包气带渗透系数对于研究非饱和带水分运移过程、植物根系吸水特征及产汇流规律具有重要意义。本文采用Inverse Auger法在毛乌素沙地开展了原位包气带垂向渗透系数测定实验。通过实验数据分析表明:①为获得较可靠的垂向渗透系数,野外实验时,需要重复注水过程,使包气带应尽可能湿润,消除水平吸渗对垂向入渗的影响;②采用Porchet推导的计算公式计算包气带垂向渗透系数时,应对获取的数据进行统计分析,放弃不符合实验物理背景的数据。在上述分析基础上,计算得到实验介质平均垂向渗透系数为2.23 cm/h。上述原位实验数据的分析方法和实验结果对相关实验研究具有一定的借鉴意义。     

基于多场耦合的膨胀土边坡非饱和降雨入渗分析

膨胀土非饱和渗流的过程伴随着膨胀应变的产生。探明多场耦合作用下膨胀应变对膨胀土边坡非饱和降雨入渗的变化规律至关重要。基于有限差分渗流理论、降雨入渗模块的二次开发和膨胀应变的施加,采用C++和FISH语言编制程序,将膨胀应变引入非饱和土的流-固耦合模型,提出了一种综合考虑膨胀应变和应力应变的非饱和膨胀土多场耦合分析法,通过算例实现了降雨入渗条件下膨胀土边坡非饱和渗流的数值模拟,并探讨了膨胀应变对饱和度和暂态面积比的影响规律。研究表明,膨胀应变对膨胀土边坡非饱和降雨入渗的过程影响显著,其降雨入渗深度、湿润锋扩展速度和暂态饱和区时空分布受膨胀应变的控制,考虑膨胀应变时暂态面积比变化的雨后时间滞后性强于不考虑膨胀应变时。     

黏土地基深井排水效果试验与渗流场分析

深井降水效果将影响水利工程的排水方案设计。为了分析黏土地基工程深井井点降水措施的有效性,结合无锡市生态休闲岛工程,根据地质勘测资料,通过建立渗流分析有限元模型,采用固定网格有限元非饱和渗流计算分析方法,分析了深井降水的非稳定渗流场,对比分析了试验井的排水量实测数据,研究结果表明深井降水具有较好的排水效果,提出了地基土层渗透性对渗流场有较大的影响,建议了采取合适的井深和井间距以保证深井降水效果,结果可为类似黏土地基排水措施提供设计参考。