岩体裂隙扩展过程的数值模拟

本文根据断裂力学理论及节理岩体的等效连续模型,探讨了岩体裂隙扩展过程的数值模拟方法,文末算例说明了方法的有效性。     

我国北方型裂隙岩溶水流及污染物运移数值模拟研究进展

简要回顾了近几十年来我国北方型裂隙岩溶水流及污染物运移数值模拟方面的研究成果,评述了裂隙岩溶水资源评价和污染物运移模拟的计算方法和模拟技术,其中对一些与数值模拟相关的重要问题、近年来研究的热点问题,如模型参数识别及其尺度效应问题、数值弥散和数值振荡问题、Non-Darcy流和Non-Fickian运移问题以及随机方法研究等进行了重点评述,对已有的解决办法进行了比较和对照,并探讨了今后的研究趋势.     

裂隙岩体中非饱和渗流与运移的概念模型及数值模拟

探讨了裂隙岩体中非饱和地下水渗流与溶质运移的几种概念模型的构造及数值模拟问题 ,如裂隙网络模型、连续体模型、等效连续体模型、双孔隙度 (单渗透率 )模型、双渗透率模型、多组份连续体模型等。在裂隙岩体中 ,非饱和地下水的渗流可能只局限于岩体中的岩石组份、或裂隙网络 ,也可能在裂隙和岩石中同时发生 ;对前一种情形只需考虑单一连续体中的流动 ,而后一种情况则需要包括地下水在岩石和裂隙之间的交换。岩体中的裂隙网络往往是溶质运移的主要通道 ;但当溶质在裂隙与岩石之间的渗透和扩散是重要的运移机制时 ,就需要考虑岩石与裂隙界面处的溶质交换。为了模拟岩石与裂隙之间地下水和溶质的交换 ,就需要了解岩石与裂隙之间相互作用的模式和范围 ,使得这类问题的概念模型较单一连续体模型多了一层不确定性、其数值模拟也变得更为困难。因为在实际问题中不易、甚至根本不能判别非饱和渗流的实际形态 ,具体采用哪种模型主要取决于分析的目的和对现场数据的掌握程度。不论哪种模型都会受到模型及参数不确定性的影响 ,因此必须考虑与其他辅助模型的比较.     

基于数字图像及数值模拟的裂隙岩体渗透特征

基于真实的岩体剖面图片,通过剪裁、二值化、矢量转化,再导入数值计算软件,建立数值计算模型,进行模型水压力场、渗流速度场分析及渗透系数的计算。分析发现,从水流入口至出口,水压整体呈递减规律;岩石的裂隙中渗流场分布不均匀,渗流活跃的通道主要是左右串通好的裂隙,在不同水流入边界条件下,依据达西定律计算获得的岩体渗透系数存在差异。     

裂隙岩体水力特征数值模拟试验的初步结果

本文利用文献中的数据进行数值模拟试验,结果表明:流量等效和渗透作用力变形效果等效互不包容;不同级别结构面体系难以用连续介质方法处理,同级别结构面体系在工程作用力变化范围内,可由其静态水力特征推演动态特征;工程岩体结构面间充分连通的假设过于粗糙,常规试验手段获取的量值倾向于局部特征的反映。     

中国淄博裂隙岩溶水石油污染的特征及污染物运移的数值模拟

淄博市位于中国山东省的中部,大武水源地位于淄博市以东10～20km处,是一个开采裂隙岩溶水的特大型水源地。开采量为520000～540000m~3/d。1984年以后在水源地西部建设了30万吨乙烯工程,地基和污水管道有很大一部分直接座落在奥陶系马家沟组的灰岩和白云岩上,管道的泄漏造成裂隙岩溶水的石油污染。已经威胁到水源地的安全。含水层为奥陶系马家沟组上部的4、5、6段。岩性为石灰岩、白云质灰岩和白云岩。含水空间为溶蚀裂隙网格,具有强烈的非均质性和各向异性。地下水虽然有统一的地下水面,但具有优势流的特点,沿ENE方向有一个岩溶强发育的带,地下水向该处汇集     

米尺度裂隙岩体模型水流-传热试验的数值模拟分析

为了研究高放射性核废物地下处置库近场的水流-传热耦合问题,采用国内高放废物地下处置库预选场址--甘肃北山地区的花岗岩石块体,加工组合成米尺度的规则裂隙岩体模型,设置边界热源和裂隙水流,试验模拟裂隙水水流与传热之间的相互作用。作为该室内模型试验的前期理论研究,采用等效孔隙介质数值模型,着重分析了裂隙开度、裂隙流量和热源功率对流场和温度场的影响。在设定条件下,计算分析表明：热传导和裂隙水水流由热源作用初期的不耦合很快转化为耦合;不流动的裂隙水主要表现为热存储和热传导,而流动的裂隙水还引起流动传热和水与岩石之间的对流换热,使岩体温度场明显不同于单纯热传导的情况;如果保持裂隙水流量不变,则裂隙开度的变化对水流-传热影响不大;如果保持裂隙水流速不变,则裂隙开度的变化对水流-传热影响显著;热源功率越大,通过裂隙水的热流量越大,裂隙水压强越大,而当温度超过100 ℃时,裂隙水会因汽化而压强显著增大;加热7 d时,热量的输入和输出几乎相等,裂隙水流带走的热量接近热源供给的热量,模型系统基本达到了热平衡。     

裂隙岩体宏观力学参数的二维数值模拟

岩体通常含许多不同尺度的裂隙,因而力学性质非常复杂。由于现场测试及常规实验室试验常受各种条件的限制,因而其不能准确反映岩体的宏观物理力学性质。本文基于有限元分析软件对二维情况下的完整岩体和含不同倾角的软弱夹层的岩体在单轴和双轴压缩下进行了数值模拟,得到岩体变形的应力-应变曲线。该类曲线能反映裂隙对岩体力学参数的影响,对于指导工程实践有一定的意义,并且为获取岩体力学参数提供了新的途径。     

基于单元劈裂法的岩体黏结型结构面数值模拟

节理岩体中富含结构面等不连续体,其中很多结构面之间具有一定黏结强度,在冲击荷载作用下会发生脱结（debond）行为,从而消耗岩体应变能。在该结构面之间的黏结性质在很大程度上决定着岩体的破坏行为,发生脱结后,结构面之间不再具有黏结强度,岩体的力学性能发生弱化。为了对该类结构面进行模拟,在改进的Xu-Needleman势函数基础上推导出结构面单元,并将其嵌入到单元劈裂法中,模拟结构面的开裂过程,当结构面完全脱结后结构面单元就转化为一般节理单元。相应地,在数值实现过程中只是将结构面单元替换为一般节理单元即可。该结构面单元与单元劈裂法相结合,能够有效地模拟节理岩体的破坏过程。     

Numerical model of contaminant transport through conduit-porous matrix system

A mathematical model for determining solute concentrations at a point within a cylindrically symmetrical conduit-porous matrix system is described. Both convection and diffusion are considered within the conduit subsystem, whereas only diffusion is considered within the porous matrix subsystem. The two subsystems are coupled through continuity conditions imposed at their interface boundary. The transport equations are solved utilizing an alternating-direction implicit-method technique. The solute concentration profiles resulting from this model are then sketched and discussed.     

非平衡-非线性吸附情况下填埋场污染物运移分析

采用Langmuir等温吸附线方程描述非线性吸附性能, 基于改进的混合元方法，通过数值计算与分析，探讨了非平衡吸附条件下污染物运移过程及其机理。计算结果表明: 当考虑非平衡、非线性吸附性能时, 污染物穿透曲线即浓度的时程变化曲线尖锐而狭窄、峰值点前移, “拖长尾”现象不明显, 由此说明，土颗粒对污染物的非平衡、非线性吸附使得污染物的穿透能力增强, 滞留能力下降。进一步的变动参数比较分析表明：Langmuir等温线方程中的参数B、压实粘土衬里的渗透性及地下水渗流速度对污染物运移过程具有显著的影响。     

考虑土体固结变形的污染物运移模型

土体的固结压缩变形对污染物的运移具有重要的影响,而目前国内关于污染物在变形多孔介质中运移规律的研究尚处于空白,在国外也是近几年才有人开始这方面的研究工作。在Biot固结理论和污染物运移理论相结合的基础上,提出了污染物在黏土防渗层中迁移转化的一维数学模型,该模型的最大特点是考虑了土体受力变形对污染物运移的影响,在合理简化的基础上给出了模型的解析解,并将计算结果与太湖疏浚污染底泥堆场的实测结果进行了比较分析,模拟计算的结果在一定程度上能够反映实际土层中污染物的运移情况。     

Modelling of contaminant transport through landfill liners using EFGM

Modelling of contaminant transport through landfill liners and natural soil deposits is an important area of research activity in geoenvironmental engineering. Conventional mesh‐based numerical methods depend on mesh/grid size and element connectivity and possess some difficulties when dealing with advection‐dominant transport problems. In the present investigation, an attempt has been made to provide a simple but sufficiently accurate methodology for numerical simulation of the two‐dimensional contaminant transport through the saturated homogeneous porous media and landfill liners using element‐free Galerkin method (EFGM). In the EFGM, an approximate solution is constructed entirely in terms of a set of nodes and no characterization of the interrelationship of the nodes is needed. The EFGM employs moving least‐square approximants to approximate the function and uses the Lagrange multiplier method for imposing essential boundary conditions. The results of the EFGM are validated using experimental results. Analytical and finite element solutions are also used to compare the results of the EFGM. In order to test the practical applicability and performance of the EFGM, three case studies of contaminant transport through the landfill liners are presented. A good agreement is obtained between the results of the EFGM and the field investigation data. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

污染泥堆场处置中自重固结与污染物迁移的耦合分析

基于一维固结方程和对流-弥散方程,提出了一种用于污染泥堆场处置中自重固结与污染物迁移耦合问题的求解方法,其中,自重固结方程由解析解直接求解,污染物迁移方程由显示差分法求解。在自重固结方面,新方法可考虑线性的压缩关系和渗透关系;在污染物迁移方面,新方法能够考虑对流、扩散、机械弥散、线性和非线性吸附以及孔隙率相依的有效扩散系数。新方法与CST1数值模型进行了对比,验证了新方法的正确性。基于所提出的解,分析了固结效应、压缩系数、渗透系数和污染物初始分布形式对污染物在淤泥中迁移过程的影响。计算结果表明:固结效应、压缩性、渗透性和污染物的初始分布形式对污染物的迁移过程有着显著的影响;固结效应能显著地加速污染物的流出;土体的压缩系数越大其污染物累计流出质量越大;土体的渗透系数越大其污染物累计流出质量越大;污染物的初始分布形式对污染物的流出速率影响较大。     

Numerical study of soil heterogeneity effects on contaminant transport in unsaturated soil (model development and validation)

The movement of chemicals through soil to groundwater is a major cause of degradation of water resources. In many cases, serious human and stock health implications are associated with this form of pollution. The study of the effects of different factors involved in transport phenomena can provide valuable information to find the best remediation approaches. Numerical models are increasingly being used for predicting or analyzing solute transport processes in soils and groundwater. This article presents the development of a stochastic finite element model for the simulation of contaminant transport through soils with the main focus being on the incorporation of the effects of soil heterogeneity in the model. The governing equations of contaminant transport are presented. The mathematical framework and the numerical implementation of the model are described. The comparison of the results obtained from the developed stochastic model with those obtained from a deterministic method and some experimental results shows that the stochastic model is capable of predicting the transport of solutes in unsaturated soil with higher accuracy than deterministic one. The importance of the consideration of the effects of soil heterogeneity on contaminant fate is highlighted through a sensitivity analysis regarding the variance of saturated hydraulic conductivity as an index of soil heterogeneity. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

裂隙岩体溶质运移模型研究

核废料的地下深部贮存、垃圾填埋造成的污水下渗、海水入侵、输油管道老化引起渗漏等诸多应用领域的发展,要求从机理、试验和模型等方面发展裂隙岩体溶质运移理论。基于裂隙岩体系统溶质运移的多尺度概念模型,分析了目前描述裂隙岩体系统中溶质运移各种数学模型的适用性和优缺点,为选取合理的数学模型求解具体的问题提供了参考依据。最后提出了需要进一步研究的问题。     

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。