大变形黏土防渗层中的污染物迁移和转化规律研究

国内湖泊疏浚污染底泥堆场一般以较厚的黏土层作为主要防渗层,由于在上覆底泥作用下黏土层会发生较大的固结变形,因此,在研究黏土防渗层中的污染物运移和转化规律时,应该考虑土体变形的影响。基于Gibson一维大变形固结理论和饱和多孔介质中的污染物对流扩散方程,建立了二者耦合的可变形多孔介质中污染物的运移和转化模型,其中首次考虑了土体自重和生物降解作用的影响。利用所建立模型的数值解,研究了在可变形黏土防渗层中的污染物运移和转化规律,同时分析了模型中不同项和主要参数的作用和影响。研究结果表明,土体大变形对黏土防渗层中污染物的运移有着较复杂的影响,一方面土体变形会加速污染物的运移;另一方面土体固结带来的渗透性减小会增加污染物的穿透时间,二者的不同作用取决于众多的影响因素,如土层厚度和吸附作用等。研究结果对于评估天然黏土防渗层对污染物的阻隔作用有重要的指导意义。     

考虑溶质浓度影响的热-水-应力-迁移耦合模型及数值模拟

高放射性核废料地质处置库围岩中地下水的密度因溶质浓度不同而发生变化,这将影响到饱和-非饱和孔隙介质中近场和远场的热-水-应力耦合过程, 同时温度场、应力场也要对地下水中的核素及矿物质迁移产生作用。考虑这两个因素,建立和引入了相关的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和渗透迁移方程,并研制出了对应分析孔隙介质中热-水-应力-迁移耦合问题的二维有限元程序。通过对一个假定的核废料地下处置库在核素泄漏后多场耦合过程的数值计算,考察了近场围岩中的温度、应力、孔隙水压力、核素浓度的分布及随时间的变化。结果初步显示了所建模型及程序可模拟热-水-应力-迁移耦合现象,因而具有一定的实用性。     

成层非饱和土渗流的耦合解析解

成层土在工程中很常见,研究降雨过程中成层非饱和土的渗流-变形耦合对非饱和土土力学的发展具有重要的意义。由流体质量守恒,Darcy定律和Lloret等的非饱和土本构模型可得成层非饱和土渗流-变形耦合的控制方程。采用Gardner的非饱和土的渗透系数公式以及Boltzman模型,基于Laplace变换得到耦合方程的解析解。解析及其参数分析表明,渗流和变形耦合是具有时间效应的。与吸力变化相关的土的模量F,对成层土的孔隙水压力分布有明显影响。两层土的F差异越大,孔隙水压力消散得越慢,耦合效应越不显著。增大表层土的F值有利于降低耦合效应。成层土饱和体积含水率变化对吸力变化产生有限的影响     

盆地流体模拟在石油勘探中的应用──以莺-琼盆地为例

由于沉积盆地内流体活动的示踪研究难度较大,因此,在盆地流体研究中更多地依赖于正演模拟,用来解释和验证地质模型和观点。盆地流体模拟所遵循的基本准则是孔隙流体运动的达西定律。能量守恒和质量守恒定律。由此建立孔隙流体的温度和压力的耦合方程,利用有限元法解上述非线性耦合方程,从而可动态地恢复盆地不同演化阶段的温度场、压力场和流体场。模拟成果可用于地质模型和观点的解释和验证,更重要的是用于钻前预测,包括热成熟度和压力预测以及油气运移方向预测。而且多场的叠合分析为油气运移和聚集研究提供了定量的依据,同时为油…     

基于混合物理论的水力-化学-力学污染物输运模型研究

由于废弃物的堆积以及填埋场上覆盖层的重量,衬垫因此承受一定的压力,发生力学固结;由于黏土本身的结构特性,当污染物通过黏土垫层时可能会发生化学固结,而固结作用可直接对污染物的对流输运产生影响,也会引起土层体积和结构的变化,从而改变其固有的输运性质。从混合物理论出发,建立了水力-化学-力学作用下的溶质输运理论框架,统一地描述了水力-化学-力学作用下变形、水的吸附或解吸附、对流和扩散现象。将输运系数考虑为有效孔隙率的函数,由此反映固结对输运参数的影响。对所建立的数学模型进行无量纲化处理,并使用有限元软件COMSOL Multiphysics进行求解,最后进行了参数分析。研究结果表明,垫层土体中吸附水和自由水之间的化学势差异越大,层间吸附水的解吸附量越大;当土体的软硬性质不同时,当层间吸附水解吸附后,土体固结程度不同,从而对污染物输运过程的影响不同。而当垫层上覆荷载增大时,土体宏观孔隙的扩张的限制作用增强,从而对土体产生一种修复作用,抑制污染物在土体中的输运。     

混合重金属离子侵蚀饱和黏性土渗透特性试验研究

渗透特性是表征黏性土层防渗能力及防污性能的关键控制因素,黏土衬垫渗透系数的正确选择对保证垫层的防污效果具有极其重要的意义。采用柔性壁渗透仪,通过室内试验研究了混合重金属离子共存情况下侵蚀饱和黏性土的渗透特性变化规律。试验结果表明,将可溶性铜、铬离子混合与铜、锰离子混合溶液作为渗液,黏性土渗透性均随着掺入离子浓度比例的增大而逐渐增强,且相同试验条件下,铜、铬离子混合溶液作为渗液测得的黏土渗透系数值大于铜、锰离子混合溶液作为渗液测得的渗透系数值。混合重金属离子的存在削弱了黏土垫层作为工程防污屏障服役的能力,并对黏土层的水力传导性起到了劣化作用。试验土样微观结构分析表明,渗液特性的改变影响了土样内部的微观结构,随着渗液混合离子质量比的增大,土样中出现了凝聚体且有效输运孔隙通道增大,与宏观渗透特性的变化规律相吻合。研究结果能够为有效评估黏土防污屏障的防渗隔污能力及研究堆场渗液在黏土垫层中的运移机制提供参考。     

尾矿连续沉积过程中超孔隙水压力演化的温度-渗流-力学-化学耦合模型

尾矿胶结充填技术可避免矿渣的地表堆存、改善采场围岩稳定性、提高矿石回采率,因此在国内外的矿山开采中得到了广泛应用。充填系统的稳定性取决于尾矿连续充填过程中多场耦合作用造成的孔隙水压力演化。本研究基于经典Biot孔隙弹性理论建立尾矿的温度-渗流-力学-化学耦合模型框架,进而提出连续沉积过程中尾矿热-化学固结的一维超压模型,并推导化学反应造成水压变化的临界温度闭合公式。通过分析不同沉积速率、不同初始和边界温度条件下的充填过程,揭示了多场耦合作用对尾矿超孔隙水压力的影响机理。     

CO_2注入下岩层变形和流体运移分析(I):两相流-岩层耦合模型

目前国内关于CO2咸水层封存尚处于先导性和试验性研究阶段,对超临界CO2注入过程中岩层力学响应和流体运移的理论与技术方面的认识还不完善。为研究CO2注入下岩层变形和流体运移,基于两相流动数学模型,给出了超临界CO2和咸水质量守恒方程;采用毛细压力和有效饱和度的关系式,将质量守恒方程变换成以毛细压力为变量的表达式,以便于考虑流体压力对岩层的影响。提出了无流体压力影响下的岩层力学本构模型,该模型能够同时考虑岩层的塑性变形和损伤。分析了两相流体-岩层相互作用机制:一方面,采用有效应力原理,考虑流体压力对岩层的力学影响;另一方面,通过岩层固有渗透率变化考虑岩层变形对流体运移的影响。     

孔隙气压对核废物地质处置热-流-固耦合影响的有限元分析

为考察孔隙气体压力对高放废物地质处置中的热-流-固耦合过程的影响,借用Leiws等建立的可变形孔隙介质中非等温空气流和水流模型,在其水连续性方程中加入了温度梯度引起的水分扩散项,研制出相应的热-水-气-应力耦合弹塑性二维有限元程序。针对一个假定的高放废物地质处置库模型,在相同的初始温度、孔隙水压力和岩体应力条件下,取3种缓冲层中的初始孔隙气体压力,通过数值模拟考察了处置库近场的主应力、饱和度、气和水的流速、温度和孔隙压力的分布与变化。结果显示,当缓冲层中的初始孔隙气压力较高时,其对围岩中应力影响较大。     

岩石损伤过程中的热-流-力耦合模型及其应用初探

岩石损伤过程热-流-力（THM）耦合问题的研究对于深部采矿等许多工程领域都具有重要的理论意义。以岩石的损伤为主线,在多场耦合分析方程中引入损伤变量,基于质量守恒和能量守恒原理,提出岩体损伤过程中的THM耦合模型。通过把均匀弹性介质THM耦合响应的模拟结果与理论分析结果进行对比,验证了程序及有限元实施的正确性。然后,用该耦合模型进行了不同地应力条件下流固耦合过程的数值模拟,探讨了水压力对于岩石损伤过程的作用机制。数值模拟表明,水压力导致了拉伸损伤范围的扩大和损伤程度的加剧,同时亦对剪切损伤具有抑制作用。     

低渗透煤层气-水流固耦合数学模型及数值模拟

基于有效应力原理,结合弹塑性几何方程、本构方程及平衡方程建立了应力场控制方程。依据流体力学中的质量守恒原理建立了煤层气、水和煤岩体固体颗粒的渗流场方程;以上方程再配以辅助方程和定解条件构成了应力作用下煤层 气-水流固耦合的数学模型,并对简化模型进行了单相流流-固耦合数值模拟分析,得到了压力动态分布曲线,分析了耦合和非耦合情况对压力分布的影响,进一步为煤层气流-固耦合分析提供了一定的理论基础。     

水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用模型及应用

为了研究温度对水饱和边坡夹层力学参数的影响,将水饱和边坡夹层视为固-液两相的线弹性体,建立了水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型,并推导了其耦合控制方程;采用物理相似模拟的方法,建立了与边坡原型相似的试验模型,研究温度引起的边坡夹层力学参数的变化特征;通过比较分析理论计算结果与模型试验结果,验证了所建立的耦合力学模型的适用性。研究结果表明：孔隙水压力系数和热压力系数是引起水饱和边坡夹层孔隙水压力增加的关键控制因素;孔隙水压力系数取决于孔隙排水压缩特性和固相介质压缩特性,这两者差值越大,孔隙水压力系数越大;孔隙水热膨胀系数和孔隙体积热膨胀系数是影响热压力系数的主要因素,这两者差值越大,热压力系数也越大;边坡夹层孔隙水压力随温度升高呈现出先缓慢增加而后急剧增加的变化特征,而黏聚力和抗剪强度随温度升高而缓慢降低,且孔隙水压力的理论计算结果与试验测试结果吻合良好。因此,水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型能较好地反映孔隙水压力在加热升温过程中的变化特征,为科学地预测和控制类似边坡工程的稳定性提供了参考。     

水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用模型及应用

为了研究温度对水饱和边坡夹层力学参数的影响,将水饱和边坡夹层视为固-液两相的线弹性体,建立了水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型,并推导了其耦合控制方程;采用物理相似模拟的方法,建立了与边坡原型相似的试验模型,研究温度引起的边坡夹层力学参数的变化特征;通过比较分析理论计算结果与模型试验结果,验证了所建立的耦合力学模型的适用性。研究结果表明:孔隙水压力系数和热压力系数是引起水饱和边坡夹层孔隙水压力增加的关键控制因素;孔隙水压力系数取决于孔隙排水压缩特性和固相介质压缩特性,这两者差值越大,孔隙水压力系数越大;孔隙水热膨胀系数和孔隙体积热膨胀系数是影响热压力系数的主要因素,这两者差值越大,热压力系数也越大;边坡夹层孔隙水压力随温度升高呈现出先缓慢增加而后急剧增加的变化特征,而粘聚力和抗剪强度随温度升高而缓慢降低,且孔隙水压力的理论计算结果与试验测试结果吻合良好。因此,水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型能较好的反应孔隙水压力在加热升温过程中的变化特征,为科学地预测和控制类似边坡工程的稳定性提供了参考。     

水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用模型及应用

为了研究温度对水饱和边坡夹层力学参数的影响,将水饱和边坡夹层视为固-液两相的线弹性体,建立了水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型,并推导了其耦合控制方程;采用物理相似模拟的方法,建立了与边坡原型相似的试验模型,研究温度引起的边坡夹层力学参数的变化特征;通过比较分析理论计算结果与模型试验结果,验证了所建立的耦合力学模型的适用性。研究结果表明:孔隙水压力系数和热压力系数是引起水饱和边坡夹层孔隙水压力增加的关键控制因素;孔隙水压力系数取决于孔隙排水压缩特性和固相介质压缩特性,这两者差值越大,孔隙水压力系数越大;孔隙水热膨胀系数和孔隙体积热膨胀系数是影响热压力系数的主要因素,这两者差值越大,热压力系数也越大;边坡夹层孔隙水压力随温度升高呈现出先缓慢增加而后急剧增加的变化特征,而粘聚力和抗剪强度随温度升高而缓慢降低,且孔隙水压力的理论计算结果与试验测试结果吻合良好。因此,水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型能较好的反应孔隙水压力在加热升温过程中的变化特征,为科学地预测和控制类似边坡工程的稳定性提供了参考。     

考虑热-水-力耦合效应多孔弹性地基的动力响应

通过对Biot波动方程的修正,得到考虑热-水-力学耦合效应的多孔弹性介质动力响应的控制方程,研究了简谐均布荷载作用下地基土体的热-水-力耦合动力响应问题。利用Fourier变换技术,得到地基中的应力、位移和孔隙水压力积分形式的解答。利用Fourier逆变换得到数值结果,分析了热-水-力学耦合条件下地基土体中温度增量、应力、位移和孔隙水压力响应的分布,并讨论了热源输入的影响, 结果表明：应力、位移和孔隙水压力随 的增大而有一定的减小。     

非饱和土二维固结简化计算的研究

针对较高饱和度的非饱和土二维固结问题展开研究。对于较高饱和度的非饱和土,如饱和度 时,将孔隙中气、水近似地看作可压缩的气、水混合流体后,非饱和土近似为土骨架和混合流体的二相土。考虑混合流体的压缩性,建立混合流体的连续方程。联立平衡方程和混合流体的连续方程,求出应力-应变和混合流体压力;再建立水连续方程求解水压力,继而求出气压力、吸力等。算例表明：加载和消散过程中,混合流体与水压力变化基本一致,气压的作用并不大;地基变形过程与高速公路填筑过程中地基变形发生规律一致。说明该简化方法是合理的,并促进了非饱和土固结变形计算走向实用化。     

电场-渗流场-应力场耦合的电渗固结数值分析

在非饱和土多孔介质力学理论的基础上,根据电荷守恒原理、质量守恒原理、应力平衡方程、达西定律以及欧姆定律,推导了考虑电场、渗流场以及应力场相互耦合作用的电渗固结理论方程。采用Galerkin加权余量法对电渗固结理论方程进行空间离散,得到其有限元计算列式,编制了相应的计算程序,对室内电渗模型试验进行了数值模拟。结果表明,数值模拟与试验结果基本吻合,表明该电渗固结理论方程能够定量预测电渗固结过程中土体的孔隙水压力和位移发展规律。     

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。     

黏性土失水开裂多场耦合离散元数值模拟

黏性土在失水过程中逐渐变形开裂,裂隙相互交错形成网络,这一过程涉及水热力等多场耦合的作用。本文基于南京大学自主研发的三维离散元软件MatDEM,采用紧密堆积离散元模型对土体开裂进行模拟。在此模型中,每个离散元单元代表一定体积的土颗粒、孔隙和孔隙水的集合体。单元具有含水量属性,并采用有限差分思想计算水分运移量,实现了水分场模拟。同时,考虑水分场对土体抗拉强度等力学性质的影响,建立水分场和应力场的耦合。在数值模拟中,假定土体表面水分以一定速率蒸发,根据试验数据由含水量计算单元直径和力学参数,从而实现黏土蒸发失水、收缩和开裂变形过程模拟。数值模拟与前人室内试验结果基本一致,能较好地再现开裂过程中的各个阶段。本文为研究多场作用下土体变形破坏模拟提供了一个新的思路。     

一维畦灌施肥地表水流与溶质运移耦合模型——Ⅰ.模型建立

提高畦灌施肥地表水流与溶质运移数值模型的稳定性、收敛性及计算精度,有利于改善地面畦灌施肥系统的设计与评价工作.在利用隐-显混合时间格式对一维畦灌地表水流与溶质运移耦合模型中包含的各矢量项进行时间离散基础上,借助有限差分法、有限体积法和有限单元法分别对由隐时间格式生成的物理矢量线性近似式空间导数、物理矢量空间导数、溶质扩散矢量和地形矢量项进行空间离散,对最终形成的控制方程代数方程组进行数值求解,构建起基于混合数值解法的一维畦灌施肥地表水流与溶质运移耦合模型.