基于蒙特卡罗随机有限元法的三维随机渗流场研究

通过建立改进Latin超立方抽样和对偶抽样相结合的复合抽样法,以提高Monte Carlo方法的计算效率,并将其引入Monte Carlo随机有限元（MSFEM）。基于三维有限元模型,采用MCSFEM对山坪土石坝进行随机渗流场分析,研究渗透系数和水头边界条件的随机特性对渗流场的干扰,进行变异系数和抽样次数的敏感性分析。最后,对渗流场的求解量进行概型分析。研究表明：总水头势、流速及渗透体积力的变异性随着渗透系数随机性的增强而变大;复合抽样法既能有效加快Monte Carlo的收敛速度,又能降低样本间的统计相关性,说明了该方法的实用性与有效性;当渗透系数服从正态分布时,渗流场中所取结点的水头和坡降也服从正态分布。     

渗流场随机性的随机有限元分析

基于一阶Taylor随机有限元法,推导出相应的渗流场随机分析中渗流响应量（水头和水力梯度）的随机响应公式,进而实现三维稳定渗流场随机有限元分析,并编制了相应的程序。在分析中,将渗流区域材料的渗透张量视为三维各向异性随机场,利用三维可分离向量随机场的局部平均法对随机场进行离散,根据参数选取的不同,可以离散出不同数量的随机变量。最后,给出一个算例,对离散出随机变量数量不同的情况分别进行随机分析,将分析结果和仅仅将渗透张量视为三维随机变量得到的结果对比,验证了所提方法的可行性。     

地下工程复杂渗流场数值模拟研究与应用

结合地下工程复杂渗流场三维有限元分析的实际 ,用渗透张量模拟非均匀各向异性 ,用改进丢单元法迭代自由水面 ,用隐性的复合材料单元模拟断层 ,用隔水层模型模拟防渗帷幕 ,用以沟代井模拟排水井列。在此理论基础上编制了渗流分析的三维有限元计算程序。且用此程序成功求解了漫湾水电站二期工程地下厂房围岩的复杂渗流场 ,并在此基础上分析渗流场分布的主要影响因素的影响。结果验证了程序的合理性和实用性     

基于随机理论的地下水环境风险评价

针对确定性模型难以描述含水层非均质空间分布的问题,提出基于随机理论的地下水环境风险评价方法。以矩形场地地下水污染风险评价为例,采用蒙特卡罗法生成大量渗透系数随机场,模拟含水层参数各种可能的非均质空间分布,在此基础上建立场地地下水流模型与溶质运移模型,分别计算污染物在地下水中的迁移转化情况。统计大量随机模拟中污染事故发生的频率,当模拟次数足够多时,污染频率收敛于污染概率,污染风险即通过污染概率体现出来。该方法将模型参数设为满足一定分布特征的随机变量,避免了确定性方法得出的武断的评价结果,可为工厂的选址、水源地的选址等工作提供科学指导。     

三维方位各向异性介质数值模拟及波场分析

采用交错网格技术将速度-应力方程中的速度对时间的导数转化为应力对空间的导数, 将弹性波动方程表示为与二阶双曲方程等价的一阶应力-速度公式, 以实现三维三分量地震波场模拟。对获得的波场快照、VSP记录图像和地面记录图像进行波场分析, 发现在波场图像中存在明显的拟P波、拟快横波和慢横波, 还出现了横波分裂、横波分裂盲区及波面三分叉等地震波在方位各向异性介质传播时产生的特殊现象。研究结果表明, 用交错网格三维模拟方法研究方位各向异性介质对方位各向异性介质中地震波传播反演能起到很强的辅助作用。     

土性高斯平稳场-马尔可夫场在渗流随机分析中的应用研究

不同类别土之间的性质差异导致了土性空间变异性的增大,需要建立一种模型以更真实地反映变异产生机制。引入基于马尔可夫场的多元指示地质统计模型,推导了含多类土的土层特性参数统计特征的理论表达式,分析了多类土的存在对K-L(Karhunen-Loeve)展开的影响,应用谱模型对土层进行了渗流力学随机分析。模拟结果证实了高斯平稳场-马尔可夫场的正确性和谱模型的有效性。     

复合含水层地区深基坑降水三维渗流场数值模拟以上海环球金融中心基坑降水为例

长江三角洲分布有巨厚、松散的第四纪沉积层,地下含水系统为一复合含水层系统,深基坑降水一般采用非完整井,且由于深基坑周围连续挡水墙难以深入含水层底板,所以其地下水渗流场变化极其复杂,具有明显的三维流特征。本文以上海环球金融中心深基坑降水为例,采用数值模拟方法,模拟了在多层含水层复合存在、含水层最深底板埋深达149m、基坑周围挡水连续墙埋深达34m、基坑内地下水位降深达26m的情况下的地下水三维渗流场特征,并以此为据确定出了该基坑降水的最优化方案。     

大型地下水封石油洞库渗流场时空演化特征研究

地下水封石油洞库是利用饱水岩体密封性进行石油储存的方式。在地下水封石油洞库的建设中,由于工程体的出现,改变了区域地下水的补给、径流和排泄条件,干扰了原来平衡的地下水渗流场,为保证地下石油洞库的水封效果,需进行裂隙岩体渗透特性及地下水渗流场时空演化研究。以国内首个在建的大型地下水封石油储库为工程背景,结合现场试验数据分析,运用等效连续介质的方法,采用裂隙岩体各向异性渗透张量,建立三维地下水数值模拟模型,预测不同施工进程时地下水位的变化。分析预测结果表明：在地下洞室开挖过程中,无水幕条件下地下水位逐渐降低,主洞室部分区域出现零水头压力区,无法保证水封性;模拟运营期水幕巷道施加定水压力,地下水位上升至设计高度35 m且趋于稳定,可以满足水封效果要求。研究结果对地下石油洞库的水封性评价具有一定的工程意义和理论价值。     

三维岩石力学参数场随机模拟预测方法及应用

以提高油田采油速度为目的的人工压裂裂缝施工改造,对当前广泛应用于求取岩石力学参数的常规测井资料法提出了更高的要求。提出三维岩石力学参数场随机模拟预测的方法,即以已知有限的常规测井资料计算出来的岩石力学参数曲线作为硬数据输入,以已知地震属性数据体及泥页岩水化和岩石环境参数数据作为软数据约束,选择序贯高斯模拟方法,随机模拟得到动态规律变化的岩石力学参数的三维空间数据场,然后由岩石力学参数的三维空间数据场预测空间任一位置的岩石力学参数在井上的测井响应,并把该反映动态规律变化的测井响应按照油田勘探开发的要求输出成特定格式,供生产和工程上使用。该方法为当前岩石力学参数的求取开辟了一条全新的途径,对勘探开发上制定完善的钻井、完井与油气开发方案和技术措施提供重要的指导作用。     

有限元分析在尾矿库渗流及抗滑稳定工程实践中的应用

某新建尾矿库初步设计拟采用一次性筑坝,坝型为碾压式土石坝,为评价设计方案的合理性以及尾矿库的安全性,采用有限元方法对尾矿库渗流稳定性和抗滑稳定性分析计算,结果表明,尾矿坝采用的渗控体系能够满足大坝的防渗要求,坝体上游侧的HDPE土工膜起到了较好的截渗效果,库内浸润线分布规律合理,下游设计排渗系统起到了较好的排渗效果;在正常蓄水位、最高洪水位和地震等3种工况下,尾矿坝下游边坡的抗滑稳定性均满足规范要求,设计方案合理可行。     

Bayes约束随机场下坝基溶蚀区随机模拟方法及其影响分析

基于完全随机场模拟溶蚀岩体可能会高估其空间变异性和不能有效地利用溶蚀以外的地质信息和实践经验,提出用Bayes约束参数随机场模型描述坝基溶蚀区的随机模拟方法。引入Bayes公式,对溶蚀区域岩土参数的统计特性进行修正,反映出地质勘测的新增地质信息和试验参数信息,建立约束随机场,并在此基础上进行随机有限元分析,研究坝基溶蚀对大坝结构性态的作用效应。计算结果表明,相对于完全随机场模型,Bayes约束随机场模型更为客观地考虑了溶蚀岩体的空间变异性,有效地降低了溶蚀参数完全随机场下结构响应的模拟方差。在概率分析过程中,推荐蒙特卡洛响应面耦合方法（MC-RSM）作为适用于复杂工程的随机模拟方法,该方法能够代替直接MC法对同样力学机制的不断重复,减小计算时间成本。     

Probabilistic analysis of reinforced slopes using RFEM and considering spatial variability of frictional soil properties due to compaction

Probabilistic stability analyses of constructed wrapped-face reinforced slopes (or embankments) using frictional soils were carried out using the random finite element method (RFEM). Soil properties reported in the literature for unsaturated frictional fills compacted to different densities were used in the simulations. Bar elements were added to the RFEM code to simulate extensible geosynthetic reinforcement layers and the Davis approach was used to improve numerical stability for purely frictional soil slopes at collapse. The influence of isotropic and anisotropic spatially variable soil strength was investigated and shown to have a large influence on the variation of maximum mobilised tensile forces in reinforcement layers for the steep 5 m-high slopes in the study. The influence of fill placed at different layer thickness and compacted to different levels was simulated by adjusting the soil strength and unit weight, and the vertical strength correlation length in the anisotropic spatially variable strength field used in each slope realisation. Numerical results showed that vertical strength correlation lengths approaching the magnitude of fill lift heights can control the probability of failure for reinforced slopes constructed with weak fills placed in lift heights close to but less than the wrapped reinforcement spacing used in the study.     

A high‐frequency open boundary for transient seepage analyses of semi‐infinite layers by extending the scaled boundary finite element method

A high‐frequency open boundary has been developed for the transient seepage analyses of semi‐infinite layers with a constant depth. The scaled boundary finite element equation of pore water pressure is formulated first in the frequency domain. With the eigenvalue problem, the equation can be decoupled into modal equations whose modal dynamic permeability equation can be determined. The continued fraction technique is adopted to formulate the continued fraction solution in the frequency domain. All constants in the solution are determined recursively at the high‐frequency limit. By introducing auxiliary variables and the continued fraction solution to the relationship between the prescribed seepage flow and the pore water pressure in the frequency domain, the open boundary condition is obtained. After transformed to the time domain, the open boundary condition is expressed as a system of fractional differential equations. No convolution integral is required. The accuracy of the analysis results increases with the increasing orders of continued fraction. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

三维饱和-非饱和渗流场求解及其逸出面边界条件处理

对三维饱和-非饱和渗流场的有限单元法求解进行了详细论述,在边界条件中明确列出了非饱和渗流逸出面边界条件的数学表达式。为了理论上能够严密地给出非饱和逸出面的边界条件和数值处理,根据渗流场固有的物理特性,定义了极限含水率和非饱和渗流逸出面蒸逸系数两个渗透基本特性参数。针对渗流场饱和与非饱和逸出面分界线(逸出线)位置事先不知道的问题,提出在这种边界非线性渗流场迭代求解过程中,应根据中间解通过边界条件类型的转化来准确地甄别这一分界线,完整地获得精细地处理饱和及非饱和渗流逸出面边界条件的思路与方法。