基于扩散波近似方程的降雨边界处理的改进EI北大核心

在降雨入渗模拟中,传统的降雨边界不能准确地反映坡面积水深度变化对坡面实际入渗率的影响。基于扩散波近似方程改进了传统的降雨边界,使得在强降雨条件下坡面积水深度动态变化可以和实际入渗率进行耦合计算,并且通过两个经典试验验证了改进边界的准确性。后将该改进边界用于工程实例计算,结果表明:(1)改进的降雨边界可以实现集中型降雨条件下流量边界与压力水头边界的实时动态转换;(2)当降雨边界为压力水头边界时,改进边界计算出的理论上坡面积水深度最深的位置出现在坡趾处;在降雨后期坡面退水阶段,积水深度可忽略不计,理论上积水深度最深的位置出现在平坦坡面与陡峭坡面的交汇处。     

降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外实验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的“空气单元”,表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在“空气单元”表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,本文提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外试验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的"空气单元",表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在"空气单元"表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外实验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的“空气单元”,表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在“空气单元”表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,本文提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

垂直降雨入渗水势模型的推导及其试验验证

通过讨论传统降雨入渗模型及降雨非饱和渗流计算方法,指出从入渗量角度建立的降雨模型及其计算方法不能较好地满足岩土工程渗透稳定性的分析要求;且与降雨入渗的物理过程不符.应用半解析半迭代的方法,从水势(负压)的角度推导了降雨自由入渗和压力入渗两个阶段的理论模型,开发相应的数值计算程序,并实现了两个阶段模型的联立求解;从理论上推导出自由入渗阶段表层土壤负压和压力入渗阶段表层土壤入渗率两个特征参数随时间的变化规律.设计了室内降雨入渗水势(负压)测试试验,应用测试结果验证理论模型及其数值计算方法的有效性.该研究为解决降雨入渗导致的岩土工程渗透稳定性问题提供了重要的理论和方法支持.     

TTI介质拟声波方程数值模拟

TTI介质qP波数值模拟方法因为考虑了倾角因素,可以比VTI介质qP波数值模拟方法更加准确地描述各向异性介质中地震波场的传播规律。文中用拟声波方程对TTI介质中的地震波场进行了高阶有限差分数值模拟,在改进衰减函数分布方式后,通过坐标变换,利用改进的完全匹配层(perfectly matched layer,PML)边界控制方程对波场边界进行吸收处理,取得了良好的效果;然后分析了拟声波方程数值模拟中的稳定性问题,并对波场中的伪横波进行压制。通过对不同模型的数值模拟,验证了文中使用的TTI介质拟声波波动方程的稳定性以及所采用的PML边界控制方程的可靠性和适用性。     

多孔介质中悬浮质的淤塞作用对悬浮液渗流动态的影响

定量地预测悬浮质在导水介质里流动过程中的淤塞作用及其对浆液流动动态的影响有助于合理地设计注浆工艺和控制注浆过程。表述悬浮质在多孔介质中的淤塞作用及其对流动状态的影响的数学模型由三个微分方程组成,即:悬浮质运移方程、悬浮质沉淀动态方程和悬浮液流动方程。用有限差分法对定流量和定边界水位差二种条件下多孔介质中一维流悬浮质淤塞问题的求解结果证明:由于淤塞作用,悬浮液在多孔介质中的流动总是呈非稳定流,并且随着时间的变化,在定流量条件下,流场中水力梯度逐渐增大;在定边界水位差条件下,流场中的流量则逐渐减小。      

考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制

浆液在多孔介质中的扩散路径对渗透扩散范围和注浆效果具有非常重要的影响。采用理论分析,以分形特征与宾汉姆流体在多孔介质中的渗流运动方程为基础,揭示了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制,并利用团队前期开展的渗透注浆试验对其进行了验证。分析了多孔介质孔隙率、宾汉姆水泥浆液水灰比、多孔介质渗透系数、注浆压力、地下水压力等对扩散半径的影响变化规律。同时,基于Comsol Multiphysics平台,采用计算机编程技术二次开发得到了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制的渗透注浆三维数值模拟程序,并以此开展了宾汉姆水泥浆液在多孔介质中渗透扩散形态效果的数值模拟。研究结果表明：与不考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆球形扩散公式获得的扩散半径理论计算值相比,采用考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制得到的扩散半径理论计算值更接近试验值。该研究成果可为实践注浆工程提供一定的理论支撑。     

改进的斜坡降雨入渗与坡面径流耦合算法研究

大气降雨时坡面径流与非饱和入渗的耦合计算,是降雨诱发滑坡及水土流失等研究中的重大问题之一。从坡面径流和降雨入渗控制方程着手,建立了基于有限元方法的耦合方程求解模型,实现了耦合问题的直接求解。该耦合计算模型与求解方法避免了坡面径流和降雨入渗间的迭代计算,也不需计算两者间的流量交换,较大程度地提高了计算效率和计算精度。算例表明,该方法正确可行,计算效率高,稳定性好。     

降雨条件下岩土饱和-非饱和渗流分析

基于Buckley-Leverett两相渗流方程,提出了新的岩土饱和-非饱和渗流数学模型,利用有限差分方法给出了隐式压力显示饱和度数值求解方法,编制了饱和-非饱和渗流计算程序.结合工程实例,模拟了降雨入渗条件下边坡岩体渗流场孔隙压力变化和含水饱和度变化,模拟结果验证了所提出的模型对饱和-非饱和渗流的有效性.     

饱和-非饱和非稳定渗流的数值模拟

介绍了饱和-非饱和渗流的计算程序数值模拟方法,该方法模拟了降雨过程中边坡内孔隙水压力的变化,克服了传统降雨边界处理方法的缺陷,考虑了降雨过程中地表边界的条件转化,为以后的径流渗流耦合的模拟提供了良好的基础,为降雨诱发滑坡研究提供了定量分析手段。     

降雨诱发深层老滑坡复活变形的动态作用机制

强降雨易引发大型深层老滑坡的复活变形,研究其作用机制对建立滑坡变形破坏的降雨阈值,实现滑坡灾害的预警预报具有重要意义.以三峡库区秭归县谭家湾大型深层老滑坡为例,在地表宏观裂缝时空分布规律的精细描述基础上,结合15年的人工监测和2年的实时监测数据,分析了老滑坡的复活变形特征和发展过程.通过滑坡阶跃阶段的位移与降雨（当前降雨和前期降雨）的相关性分析,提出了降雨对深层滑坡复活变形演化过程的动态作用机制.谭家湾滑坡的7次“阶跃”变形与强降雨相关,但累积位移增量与累积降雨量无明显正相关关系,水平位移增量基本相同时,累积降雨量明显不同.引起第一次阶跃变形的累积降雨量和最大日降雨量均明显大于后续阶段,可能受控于强降雨的作用机制由“孔隙渗流”为主,逐渐转变为“渗透性增加的孔隙渗流+裂隙优势流”的综合渗流模式.这对进一步深入研究强降雨诱发深层老滑坡阶跃变形的内在机理与灾害预警具有一定的理论意义和参考价值.      

Green-Ampt模型渗透系数取值方法研究

格林-安姆普特（Green-Ampt）模型原理简单、使用方便,在浅层滑坡的降雨入渗分析中有很大的应用潜力。渗透系数是Green-Ampt模型中的一个主要参数,该渗透系数并不一定等于土体的饱和渗透系数。通过与理查茲（Richards）方程求解进行比较,研究了Green-Ampt模型中渗透系数的取值方法。研究发现,为获得与Richards方程相同的入渗量计算结果,需对饱和渗透系数进行修正,该修正系数的大小与入渗深度和土体类型有关。对于文中研究的土体,当Green-Ampt模型中渗透系数取为0.7倍饱和渗透系数时,由Green-Ampt模型计算的孔隙水压力分布与Richards方程计算结果最为接近,建议Green-Ampt模型中渗透系数修正系数取0.7。     

考虑气压势影响的降雨入渗数值模拟研究

利用一维下渗模型的数值模拟方法研究下渗试验过程中气压势与饱和水力传导度K_s的关系。数值分析表明,可通过由下渗过程中表层湿润的饱和度来折减K_s值的途径考虑气压势的影响,从而改进计算方法。下渗试验的模拟计算结果表明,改进后的方法比常用的方法有更高的精度。     

空间链接器式多维通用饱和-非饱和流模型研究

多维饱和-非饱和流方程离散后生成的系数矩阵中常存在零系数,这将影响求解过程中的存储空间和计算效率。合理的系数矩阵优化方法既能保证模拟精度,又能提高模型在大规模网格单元中的计算效率及通用性。文章在多维饱和-非饱和流有限差分法基础上,预先记录不同方向上有效单元间的连接关系,避免了零系数的计算和存储,并结合矩阵标识法建立了空间链接器式多维通用饱和-非饱和流模型。通过模拟地下水位起涨、渗流面排水等四个经典案例及田间三场长历时小雨入渗过程,验证了该模型的模拟精度及计算效率。对比结果表明:该模型在多维度、不同边界条件（包括天然降雨、渗流面等）下的模拟精度与Hydrus、VSF等成熟软件相当,计算效率略低于Hydrus软件。田间模拟结果表明:VG模型中的参数n敏感性最强,需优先率定;因模型中尚未考虑大孔隙流影响,各层土壤水分响应时间滞后于实测过程;三场降雨计算时段末期,超过80%的入渗水量仍滞蓄在表层40 cm的土壤中,仅有约4%~12%的水量已转化为潜水。本文模型有望成为传统多维饱和-非饱和流模型的重要补充。     

降雨入渗影响下边坡中的非饱和渗流特性

为了分析降雨入渗影响下非饱和土坡渗流特性,利用自制降雨模拟系统和实时监测系统,对降雨诱发非饱和土坡失稳过程进行全方位、多参量的实时监测,研究不同降雨条件下,不同坡度、不同压实度边坡坡体不同位置雨水入渗率和湿润峰的实变规律.结果表明:降雨入渗条件下,陡坡和高压实度土体不利于雨水入渗,而缓坡和低密实度土体入渗率变化快;实际土体吸力和含水量实时变化规律不同步,提出试验湿润峰概念,含水率（吸力）湿润峰点可按含水率（吸力）实时曲线的过渡区和雨后残余含水率（吸力）的线性交叉点确定;考虑单向吸湿或脱湿路径下土体含水率和吸力具有唯一对应关系,含水率湿润峰点与吸力湿润峰点的绝对值时差即为形成湿润峰所需时间;对比湿润峰实测值与Lumb半经验值散点分布规律,基于Lumb湿润峰深度计算公式提出非线性修正表达式.      

基于COMSOL Multiphysics的非饱和裂隙土降雨入渗特性研究

基于COMSOL Multiphysics软件对非饱和裂隙土降雨入渗特性进行数值模拟研究。通过将裂隙和基质分别离散成有限单元,建立了能充分模拟土中裂隙流、基质流以及裂隙-基质流量交换的离散裂隙-孔隙介质模型。结合"空气单元"的概念,对裂隙土的上边界进行模拟。该方法不仅能描述降雨初期雨水沿裂隙优先入渗的现象,还能描述当降雨量大于裂隙土入渗量时雨水沿地表流走的现象。通过对地表以下2 m深度内低渗含裂隙土体进行模拟,分析了裂隙的几何特征、基质的水力特性、前期水分条件以及降雨强度对非饱和裂隙土降雨入渗过程的影响。结果表明,在非饱和裂隙土中,存在两个主要的渗流过程:一是水沿裂隙优先流动;二是水不断从裂隙吸入基质中,基质吸收水的作用抑制了裂隙中优势流的发展。与裂隙的几何特征相比,基质的水力特性对非饱和裂隙土渗流的影响较大。增大基质的饱和渗透系数可能使由裂隙流主导的渗流过程转变为由基质流主导的渗流过程,而基质的非饱和特性与裂隙土的初始含水率改变了土体的储水能力,从而加速或延缓了降雨入渗至某一深度的时间。降雨强度对土体入渗速率和入渗量均有影响,当超过裂隙土的入渗能力时,多余积水沿地表流走,断面入渗率随...     

Analytical solutions to 1-D horizontal and vertical water infiltration in saturated/unsaturated soils considering time-varying rainfall

Analytical solutions to 1-D horizontal and vertical water infiltration in saturated/unsaturated soils are developed that can consider the variation of rainfall with time. In this model, water content and the permeability coefficient are assumed to be exponential functions of the pressure head, and diffusivity is constant. By means of Fourier integral transformation, the analytical solutions are expressed as infinite series. The steady-state solutions for horizontal and vertical infiltration in unsaturated soils are then derived. The solutions can consider both flux and pressure head boundaries. The solutions are easy to implement compared with numerical solutions, although the restricted assumptions may limit their applicability in some ways. The analytical solutions provide a reliable tool for checking the accuracy of various numerical methods under the condition of constant diffusivity. Finally, the analysis carried out in a case study indicates that the pressure head differences caused by the transient infiltration in both the horizontal and vertical directions can be estimated using the steady-state solutions, and the effect of gravity on water infiltration mainly depends on the boundary conditions.     

适用于斜坡降雨入渗分析的修正Green-Ampt模型

降雨入渗分析是预测降雨诱发滑坡的关键因素之一。Green-Ampt模型原理简单、使用方便,在浅层滑坡的降雨入渗分析中有很大的应用潜力,但该方法主要适用于初始含水率为均匀分布的情况。基于这一不足,推导了初始含水率为非均匀分布条件下降雨入渗深度和时间的关系,并给出了基于Runge-Kutta原理的数值解法。当初始含水率为均匀分布时,提出的方法可简化为文献中已有的Green-Ampt模型。当初始含水率为非均匀分布时, Richards方程预测所得的孔隙水压力分布图中土体饱和区和未受降雨影响的非饱和区之间存在一个较窄的过渡段,由新模型计算所得的湿润锋穿过这一过渡段,且靠近饱和部区的底部。总体而言,新方法计算所得的孔隙水压力分布与Richards方程求解结果类似。     

渗透性与降雨强度对堆积层滑坡稳定性的影响

本文基于非饱和渗流理论及非饱和土的Fredlund双应力变量强度理论,对一沿岩土接触面滑动的堆积层滑坡模型,分别进行了8种条件下的降雨入渗数值模拟试验,研究了不同土体渗透性及降雨强度对滑坡稳定性的影响。结果表明:(1)堆积层滑坡的稳定性与土体的渗透性有密切关系,在降雨后的短期内,土体渗透性越好,滑面孔隙水压力升高越明显,滑坡的稳定性降低程度越大;(2)降雨期间,埋深较浅的滑面,入渗雨水能够较快到达,对滑坡稳定性的影响较大;(3)在相同的降雨时间内,降雨强度越大,滑坡稳定性降低速率越快;(4)降雨强度影响着滑坡发生的滞后性,在降雨总量一定的条件下,若降雨强度较大,雨停后,滑坡稳定性继续下降的程度较大;(5)降雨总量控制着滑坡的最终稳定性。