基于能量测量的声呐渗流矢量法及其应用

为准确测定天然流场和人工流场下的地下水渗漏隐患,从能量测量的角度提出了一种水文地质测井的新方法——声呐渗流矢量法,系统地介绍了该方法的基本理论、原型仪器和测试步骤等内容。以时差法测量原理为基础,融合了矢量声呐技术、航空定向技术、压力传导技术、GPS定位等多种新技术,自主研发了声呐渗流测量仪及其显控软件,能够准确测定渗漏部位、渗漏通道以及流速、流向、流量等量化指标。并以富水地层地下连续墙基坑为工程案例,建立三维可视化渗流场成像系统,揭示三维空间渗流场分布特征,动态指导基坑渗控设计和堵漏处理,通过复测验证堵漏处理效果。结果表明：声呐渗流矢量法能够实现地下工程渗漏缺陷精准定位,在无强噪声干扰的情况下,检测结果完全满足工程渗控需要;提出以渗透流速为主、单孔渗流量和渗透系数为辅的基坑渗漏风险预警分级判定指标;结合地质勘察、监测预警、现场巡查、应急处置等手段,与其他方法相互验证,提前采取处理措施,有效规避渗漏水风险。     

均质土坝管涌发展过程的渗流场空间性状研究

堤坝发生管涌破坏时,渗流场具有强烈的空间特性,管涌发展过程的数值模拟对于堤坝工程管涌预防与治理都具有重要的参考价值。提出以一维通道嵌入三维块体的方法,克服了在三维问题有限元模拟方法上存在的困难。在探讨均质土坝管涌发展过程模拟方法的基础上,使用数值方法分析了土坝管涌发展过程的渗流场时空分布特性;揭示了管涌发展过程中渗流力集中状况及其变化规律。研究表明,改善渗流场的形态是防治堤坝工程管涌的关键措施。     

三相耦合渗流侵蚀管涌机制研究及有限元模拟

管涌的发生、发展过程是土骨架相在渗流作用下侵蚀为可动细颗粒相,并随水相在孔隙通道中运移流失的过程。在该过程中,渗流与侵蚀相互耦合,相互促进,水相、土相、可动细颗粒相互作用,因此,管涌过程是一个多场、多相耦合的高度非线性的动态过程。现有的管涌试验结果表明,只有当水力梯度大于起始水力梯度时,细颗粒相才会随水相从土体中运移流失,土体才会发生管涌侵蚀,且管涌稳定后土体的孔隙率（稳定孔隙率）和水力梯度之间存在对应关系,根据该结果,提出管涌稳定孔隙率的概念,修正传统的渗流侵蚀本构方程,建立多孔介质中三相耦合的修正的渗流侵蚀管涌控制方程。最后,针对特定应力状态下的土体建立稳定孔隙率和水力梯度之间的对应关系。基于Galerkin有限元法编制有限元程序,在轴对称情况下对该土体的管涌过程进行数值模拟。结果表明,修正后的管涌控制方程能更全面地描述管涌发生、发展直至稳定状态的特性。     

基于渗流和管流耦合的管涌数值模拟

堤坝地基的渗透变形过程实际上是“土中水”转变为“水中土”的过程。在渗透变形发生的集中管涌通道区域,采用常规渗流分析理论,单纯增大管涌通道渗透系数的方法是不太合适的。在未发生渗透变形的区域,用常规渗流理论计算;在管涌通道区域,用管流理论,公共边界上两者之间水头相等、流量大小相等且方向相反,能够较好符合渗透变形的发展规律。为了适应计算过程中内部边界条件不断变化的特点,采用无网格法伽辽金法（element free Galerkin method,EFG）对渗流场进行计算。算例计算表明,这种渗流-管流耦合的方法能够模拟管涌通道绕过防渗墙等复杂的发展过程。     

基坑防渗体局部失效渗流场变化特征

采用三维有限元方法分析了基坑开挖工程在防渗体出现局部失效情况下，引起渗流在失效部位的集中及渗流场空间状况。提出了以一维通道嵌入三维块体的方法模拟管涌发展过程及渗流场变化特征。讨论了管涌通道渗透性对基坑管涌发展规律的影响。     

特低渗透大型露头模型流场测量技术及分布规律研究

应用电阻率测井原理,建立了一套大型露头模型平面流场测量方法。在此基础上利用特低渗透天然砂岩露头制作大型露头模型进行流场分布规律研究。研究表明,对于平行岩样具有非线性渗流特征的大型露头模型,其井网单元内平面流场特征为注入流体沿主流线方向快速突进,但波及范围较小,且存在不流动区,驱替效果较差。分析了不同驱替倍数下流场的变化规律,对比研究了不同因素对流场以及有效驱动的影响。大型露头模型能直观地反映流场动态的变化过程和驱替效果,能够更好地模拟实际油藏渗流规律。     

基于电场矢量有限元三维高频大地电磁倾子响应与感应矢量研究

一个或多个异常体的识别与区分及边界的确定是电磁法探测中提高分析精度的难点。本文利用基于电场的矢量有限元开展了复杂模型三维倾子响应及感应矢量研究。实感应矢量对电流聚集方向的指向性与分析频率的趋肤深度及介质的相对电性大小有关,通过这种指向性能有效地判定异常体的上界面和多个不同性质异常体的存在,但难以对下界面进行判定;虚感应矢量反映了感应电流(涡流)的流动方向,不同电阻率的地质体其感应电流的大小和方向不同,利用虚感应矢量的旋转方向、中心轴及分析频率的探测深度可有效地确定异常体的中心和上下界面。虚感应矢量相对于趋肤深度具有反映更大探测深度的能力,能有效地显示深部异常体对感应电流大小和方向的影响。数值模拟结果表明:虚感应矢量对异常体的识别与区分优于传统的电阻率和倾子参数。     

岩土体渗流自由面问题的重心插值无网格方法

岩土体的渗透破坏、地下工程的防渗设计等无不与渗流计算有关。针对渗流自由面问题,提出一种重心拉格朗日插值的配点型无网格方法。由于渗流自由面问题的求解区域是不规则区域,该方法通过将不规则求解区域嵌入一个正则矩形区域,在正则区域上采用重心拉格朗日插值近似未知函数,利用配点法离散渗流问题的控制方程,将重心拉格朗日插值的微分矩阵离散成代数方程表达的矩阵形式。将自由面上的边界条件通过重心拉格朗日插值离散,通过置换方程法和附加方程法施加边界条件,利用正则区域上的重心插值配点法,通过迭代确定最终自由面的位置。数值算例表明所提出的无网格方法对于求解渗流自由面问题的正确性和高精度。     

裂隙岩体渗流场的无单元法模拟及渗流特性研究

裂隙岩体因含有发育程度不同的裂隙、节理和断层等不连续面,致其渗透性具有各向异性、不连续性等特点,因此传统的有限元法对分布密集的裂隙岩体渗流场求解有一定的难度。本文提出了采用无单元Glaerkin法求解有自由面裂隙渗流问题,并推导了无单元法求解渗流场的基本方程和积分格式,给出了应用罚函数法处理渗流边界条件和自由面处理方法。采用IDL语言编制了二维无单元法计算软件LIDAREFM。文中以北京怀柔桥梓镇某裂隙岩体边坡渗流场计算为例,研究了复杂裂隙共同作用下渗流场特性和自由面分布,讨论了不同开度、不同连通程度的裂隙对渗流场的影响。研究结果表明:无单元法可以较好地解决有密集裂隙的岩体渗流场的求解问题,实现了裂隙处结点任意加密以及积分网格的独立布置,避免了对有自由面和裂隙穿越的子域的重新处理,简化了渗流问题的求解过程。     

非达西裂隙流对渗透性基岩中流场及溶质羽的影响

以基岩渗流方向与裂隙轴向呈45度角为例,探讨了当裂隙轴向与基岩水流斜交时,裂隙流的非达西程度对流场及溶质运移的影响.使用Comsol Multiphysics多物理场仿真软件构建了一个在中部包含水平单裂隙的正方形多孔介质模型,裂隙中的非达西流用Izbash方程去刻画,裂隙的上游基岩中存在持续的溶质源.随着裂隙水流的非达西程度逐渐增强,流场及污染物分布表现出如下特征:（1）裂隙中水流流速逐渐增大;流线在裂隙与基岩界面处的折射逐渐偏离折射定律;（2）裂隙水流的流向逐渐偏向基岩水流的渗流方向;（3）溶质羽宽度变宽但对称性逐渐降低;（4）溶质在水平方向上的浓度峰值逐渐降低,右侧浓度逐渐升高;（5）裂隙产生的回弥散对溶质运移作用逐渐增强,使裂隙中更多的溶质运移到了上层基岩中.总体而言,裂隙流的非达西程度对流场及污染物分布有着显著的影响.      

新安江右坝裂隙岩体渗流同位素示踪研究

应用同位素示踪方法对新安江右坝的裂隙岩体渗流场进行了研究。在单孔中应用同位素示踪技术可得到流速、流向、垂向流等水力学参数,结合相关的地下水井流理论,就可计算出裂隙等效水力隙宽、渗透系数等反映裂隙渗透性的参数,对其进行分析,就确定了渗流场的分布以及集中渗漏通道的位置。     

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。     

坝基二维渗流场的大尺寸物理模型试验

利用大尺寸砂槽试验模型模拟了坝基二维渗流全过程,并着重分析了坝基二维渗流场的变化情况。模型槽内土样渗透变形破坏后,取不同区域土样进行颗粒分析试验。根据渗透变形试验所获得的参数,运用GeoStudio 2007软件对坝基渗流场进行数值分析,所得渗流场分布与物理模型试验结果基本吻合,说明该二维渗流场的物理模型试验结果较为合理。结果表明,渗透破坏主要发生在坝体下渗透路径较短的区域内,而坝基上下游基本未产生渗透变形;产生渗透破坏后,渗流路径发生较大改变,导致渗透破坏区域渗流量大幅增加,加速坝基破坏进程。     

溪洛渡水电站坝址岩层渗透性的温度场效应研究

对溪洛渡水电站坝址温度场330m和360m高程平切温度等值线图中高温区展布形态和渗流场360m高程至下伏灰岩顶板平均吕荣（Lu)值等值线图中高值区展布形态进行了对比研究，认为二者在分布形态、延展方向及高温－高值点位置都极其相近，其原因是由该区特定的地热水文地质条件决定的；并认为在具有如溪洛渡坝址这样类似地热水文地质条件的地区，可以通过对地热温度场的研究，从另一侧面来论证同一区内岩层渗透性分布特性；利用温度场效应亦可对渗流场参数进行验证研究，以用于水利水电工程设计。     

黏性泥石流拦挡工程数值模拟

运用计算流体动力学技术对泥石流中的Bingham黏性泥石流流体对拦挡坝的冲击进行了数值模拟,所用软件为通用CFD软件CFX,使用CAD软件AutoCAD和Unigraphics（简称UG）建立了泥石流沟谷三维地形及拦挡坝模型,计算出泥石流的速度场及泥石流流体对拦挡坝的冲击力的大小与分布。     

面板堆石坝垂直缝破坏下三维渗流场有限元模拟

采用改进节点虚流量法求解无压稳定渗流场,并引入无厚度的裂缝模型对破坏的垂直缝渗流行为进行模拟,得到面板堆石坝裂缝渗流问题的有限元分析方法,并编制Fortran程序。以某混凝土面板堆石坝为例,计算了面板单一垂直缝破坏和多条垂直缝破坏条件下的三维渗流场,得到不同条件下渗流场的水头分布、浸润线以及渗漏量,系统分析了面板堆石坝在垂直缝破坏条件下的稳定渗流场规律和特点。结果表明,该方法能对渗流逸出点和浸润线进行准确定位,还能很好地模拟面板垂直缝破坏对坝区渗流场的影响,可以为面板堆石坝的接缝设计提供参考。     

基于流固耦合理论某尾矿坝失稳特性及稳定性分析

选用典型的尾矿库工程实例,采用流固耦合和强度折减法相结合对其尾矿坝进行稳定性分析,确定尾矿库渗流场分布及浸润线的位置,该浸润线位置与实测浸润线位置吻合较好。建议强度折减过程中尾矿坝的失稳准则,计算安全系数,确定潜在滑裂面的位置,并与极限平衡法计算出的安全系数及临界滑裂面位置进行比较,表明强度折减法得出的结果与Bishop法结果接近,流固耦合-强度折减法在尾矿库稳定性分析的可行性。在该基础上研究尾矿坝潜在的失稳模式,将尾矿坝潜在的失稳模式分为局部失稳和整体性失稳两种,局部失稳为尾矿坝的部分坝面发生滑移,整体失稳为整个尾矿坝坝体发生失稳,并分析导致该尾矿坝两种失稳模式的主要因素,认为浸润线埋深过浅是导致局部失稳的主要原因。     

灰坝渗漏的地球物理探测方法

探讨了灰坝渗漏的探测方法、效果及其实施过程.在灰坝渗漏治理中,如何准确地测量浸润线和渗流在坝体内的分布及其与溢出点的关系,对分析灰坝的稳定性和确定加固处理方案至关重要.实践证明,自然电位、探地雷达和高密度电阻率方法可以确定坝前入水位置、坝体内的浸润状态和浸润线位置,是灰坝渗漏探测的有效方法.