求解渗流自由面的变单元法

在分析其它计算渗流自由面方法的基础上提出了一种渗流分析的改变渗流系数的固定网格法,该法只需进行一次网格剖分,不人为干涉计算过程,完全通过程序迭代即可准确地求出自由面的边界。算例计算表明,该法具有程序处理简单、用户操作方便、计算结果准确等特性,一般迭代收敛很快。可应用于稳定和非稳定渗流自由面边界计算。     

基于FLAC3D的饱和-非饱和渗流分析

当使用基于有限差分法的FLAC3D计算渗流场时,自由面位置过高,非饱和区渗透系数被定义成常数,这与实际情况不符。运用变单元渗透系数法,对其进行二次开发,并提出了修正的变单元渗透系数法,对非饱和区的渗透系数进行较为严格的理论修正,得出准确的连续光滑的自由面,求解出饱和-非饱和渗流场。利用有限元法与该方法进行对比,论证了该方法的可行性和有效性。提出了附着接触面的方法,解决了三维复杂边界中寻找溢出点的困难;并以实际的三维复杂工程为例,计算了某边坡的渗流场分布情况,经验证,结果准确。研究成果对研究饱和-非饱和渗流以及该软件中与渗流有关的计算具有有指导意义。     

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。     

基于裂隙渗流效应的水封油库涌水量预测分析

准确预测洞室涌水量和库区渗流场的空间分布特征是确保地下水封油库施工期安全性和运行期经济性的基础性工作之一。为真实地反映地下水封油库围岩随机分布裂隙的渗流效应对涌水量预测和渗流场空间分布特性的影响,提出了一种基于嵌入裂隙单元模型（EFE模型）的裂隙岩体渗流分析方法,并采用该方法对湛江水封油库的三维渗流场进行了计算分析,通过对比工程实测资料,验证了所提出方法的可靠性,进而预测了实例工程在运行期的涌水量。计算结果表明,EFE模型能够较好地模拟裂隙对洞室岩体局部渗流场的影响,反映库区渗流场及洞室涌水量空间分布不均匀的特性。研究成果可为水封洞库渗控措施的精准设计以及运行期污水处理设施配套设计工作提供参考。     

堆石坝非达西渗流场分析

坝体的渗流计算常采用近似的线性渗流计算方法,然而对于堆石结构而言,在高水力梯度的作用下,由于流体惯性力与紊流的影响,水力梯度与渗流流速之间偏离了线性的达西定律,堆石体中不同孔隙介质的交界面错综复杂更增加了渗流场形态的复杂性。此时,使用非达西渗流的计算方法,可以提高渗流计算的精度,更加客观地描述渗流场中的渗流行为。基于伽辽金加权余量法推演了Forchheimer方程的非线性有限单元法公式,应用该方法对堆石坝渗流场问题进行了数值模拟计算,并给出了工程实例。研究表明,用该方法可以很好地研究渗流场中的非达西渗流现象。对比达西渗流计算与非达西渗流计算结果之间的差异,得出了非达西渗流计算的意义。对堆石坝结构而言,非达西渗流计算的结构显示渗流场的局部区域可能出现高水力坡降区域扩散的现象。此外,水力坡降峰值对比达西渗流计算结果有所增大,这说明真实渗流场的水力坡降峰值有可能超出材料的临界水力坡降允许值,从而引起坝体的渗透破坏。     

渗流井取水方式地下水允许开采量计算

文章在分析渗流井井流特征的基础上,通过引入等效渗透系数,构建渗流井取水的"渗流—管流"耦合模型,建立了渗流井取水的数学模型,提出了渗流井取水计算模型。以陕西省悖牛川水源地为例,通过水文地质条件的分析,提出悖牛川陕西段河谷区地下水渗流井的开采方式。结合具体的水文地质结构及有关参数,采用地下水流三维有限差分法计算了各渗流井的出水量及其组成。在考虑河流持续断流45d的情况下,计算了断流条件下渗流井出水量的衰减过程,在此基础上,确定了悖牛川陕西段河谷区地下水渗流井开采方式新增允许开采量。     

毛细饱和带横向渗流数值模拟

自主编写计算机程序构建了分别基于达西定律和非线性渗流规律的渗流数值模拟技术,并开展了稳定毛细条件下多孔介质中的横向渗流实验,揭示了多孔介质毛细饱和带中渗流流场的分布特征及其变化规律:1在渗透性良好的多孔介质毛细饱和带中的渗流,当补排水水位差增大时,总水势等势线在各区域均增大,分布得更为密集;压力势水平向梯度在各区域亦均增大;压力势垂向梯度在上升流动区增大,在下降流动区减小,在中部近水平流动区变化不大;毛细饱和带厚度在上升流动区减小,在下降流动区增大,在中部近水平流动区变化很小,且仍近似等于水静止时的毛细饱和带厚度。2在低渗透性多孔介质毛细饱和带中的低速渗流,在整个渗流区域,按达西定律推算的相同总水势值的等势线比按非线性渗流规律推算的更靠近排泄区;在水势梯度较小的区域,按达西定律计算出的总水势等势线分布比按非线性渗流规律推算的更稀疏;反之,在水势梯度较大的区域,按达西定律计算出的总水势等势线分布比按非线性渗流规律推算的更稠密;结果表明,以非线性渗透规律为基础的数学模型对低渗透多孔介质毛细饱和带中低速渗流规律的刻画更为准确。     

双层介质中潜水井稳定渗流的有限单元分析

均质含水层中的自由水面(潜水)问题,虽然有各种各样的分析解和近似解,但对非均质条件还缺乏合理的解答。目前虽可采用虚构流网的概念相当准确地计算侧向补给情况的潜水井流量,但由于这种方法不能计算渗流场的水头分布,仍不易把它引用到不稳定渗流问题中去。     

用空气单元法求解渗流场的逸出边界问题

依据空气单元模拟排水孔的思路,在渗流场任意可能逸出边界外布置一层渗透性较强的单元,与其他实体单元一起进行渗流计算,可以实现该边界的自动求解。与现行方法相比,不仅省去了逸出边界迭代计算的麻烦,而且避免了由于逸出点定位不准确而可能引起的渗流计算不合理或收敛困难等缺陷。算例分析表明,空气单元法的计算精度与空气单元的相对渗透系数R有关,与厚度L无关。当选取了合适的R值后,可以较好地逼近现行方法。对于因引入空气单元而造成的强弱透水介质界面处数值拟真性差的现象,还提出了加入接触面薄层单元的改进方法。方法改进后,计算精度可进一步提高。最后,以小湾水电站22#坝段渗流场计算为例,说明该法的实用性和可行性。     

Reynolds控制方程下粗糙节理渗流空腔模型研究

在研究节理的渗流时,渗流控制方程对节理渗流分析结果具有显著影响。首先介绍了节理渗流分析中的控制方程：Navier-Stokes方程、Stokes方程、Reynolds方程和立定定理,并分析了各控制方程在节理渗流分析中的适用性。以Reynolds方程作为渗流分析控制方程,建立了粗糙节理渗流空腔模型。然后以节理试件为研究对象,在实测节理三维表面形貌并计算隙宽分布后,分别进行相同渗流边界条件下的室内渗流试验和空腔模型计算,得到节理在不同接触状态下的渗流量实测值和计算值,并分别将计算结果与立方定理下的空腔模型、将整个节理简化为光滑平行板模型的立方定理以及速宝玉经验公式的计算结果进行比较,结果表明,Reynolds方程下的节理渗流空腔模型计算结果与实测值最为吻合,可以较为准确地反映节理的渗流情况。同时,根据Reynolds方程下空腔模型得到的渗流流量分布可以呈现节理渗流的曲折现象,为从本质上研究节理渗流特性奠定了理论基础。     

非均匀煤岩渗流-应力弹塑性耦合数学模型及数值模拟

利用Weibull分布模拟煤岩弹性模量和强度的非均匀性,结合煤岩弹塑性变形理论和瓦斯渗流理论,建立了非均匀煤岩渗流-应力弹塑性耦合数学模型,给出了该数学模型的有限元离散方程,开发了相应的数值计算程序Coupling Analysis。利用建立的模型模拟了辽宁某瓦斯抽放试井瓦斯抽放过程,结果表明,在瓦斯抽放过程中,有效应力变化诱发煤岩局部进入塑性状态,塑性区透气系数增加了约4.9倍,而弹性受压区的透气系数最大减小至22 %,计算实例的瓦斯压、煤岩有效应力和煤岩变形都呈现非对称性,但服从理论规律,表明采用Weibull分布能很好地模拟煤岩力学参数的非均匀性。     

基于各向异性岩体渗透参数分析的矿区地下水环境预测

地下采矿工程势必会引起矿区周边地下水水位的变化,而地下水在岩体中渗流主要受岩体裂隙的影响,因此地下水渗流具有非均质各向异性的特点。采用统计学分析方法,根据岩体裂隙几何参数计算渗透张量,获得综合渗透系数,并与钻孔抽水试验所得渗透系数相比较,进行修正,得到渗透主值。并运用于Visual Modflow中建立地下采矿区各向异性的地下水渗流模型,进而较准确地预测采矿过程中地下水降落漏斗的影响范围及影响幅度。     

基于格子Boltzmann方法土体CT扫描切片细观渗流场的数值模拟

基于格子Boltzmann方法,采用D2Q9基本模型,上、下边界采用非平衡外推格式,左、右不透水边界及土颗粒采用反弹格式设置边界条件,对土体细观渗流场进行数值模拟。首先将试验测得物理单位的数据转化为格子单位,然后用Matlab编制程序,对CT扫描切片进行处理,生成土体细观的数据结构,最后把格子单位表示的结果再转为物理单位,分析了渗流流速的变化规律,得到了整体和局部渗流场的分布情况。分析结果表明：（1）孔道处的流速U随着入渗时间的延长而逐渐达到一个相对稳定值,进而得到流体从开始入渗至稳定状态经历的准确时间T;（2）平均渗流速度由入口处沿y轴负方向逐渐递减,且小于入口处的平均渗流流速;（3）渗流量主要受控于通道的连通性、孔隙大小,最大渗流速度集中在通道的窄孔道处,封闭的孔道和孔隙渗流速度为0。格子Boltzmann方法能有效地对CT扫描得到的2D切片进行数值模拟,可以定量、准确地研究真实土体渗流场的变化机制。     

糯扎渡水利枢纽左岸山体三维渗流有限元分析

通常的渗流计算中排水的模拟方法很多,诸如排水子结构法、增加渗透阻抗等。但大型地下厂房与洞室的排水非常复杂,若对每个排水孔都进行模拟就非常繁杂。利用简化方法,采用给定水头和给定流量相结合的方法可以较为方便地解决复杂排水模拟的问题。对糯扎渡地下厂房和洞室群的复杂排水和对左岸包括地下厂房与硐室进行渗流计算分析,通过多个计算方案的比较,对给定流量和给定水头模拟排水效果进行合理假定,使模拟结果得到的排水区流量和水头趋于一致,由此得到合理可靠的排水模拟效果。对模拟得到的糯扎渡左岸山体渗流场进行了分析。计算结果有助于优化工程渗控方案,同时为计算变形稳定提供合理可靠的水荷载。     

基于土体渗透系数变化的管片荷载流-固耦合解析

土体在承载过程中渗透系数会发生变化,因此,在渗流作用下计算管片荷载需考虑土体渗透系数的变化。首先,根据土体渗透系数试验结果,给出了简化的分段孔隙比-渗透系数关系曲线。然后,建立了管片和土体的流-固耦合分析模型,包括渗流模型和力学模型;力学模型中土体分为弹性区和塑性区,其中弹性区根据孔隙比-渗透系数关系曲线进一步分区,从而考虑土体渗透系数变化的影响。最后,通过各分区半径取值将渗流和力学计算之间建立起联系,得到流-固耦合计算方法。计算结果为管片承载设计提供了参考。     

一种非稳态气体渗流条件下岩石渗透特性参数计算方法及应用研究

本文提出了一种非稳态渗流条件下岩石材料气体渗透特性参数的计算方法。首先将气体滑移方程带入非稳态渗流偏微分方程,利用Picard-Newton差分迭代格式建立非稳态渗流方程的数值解。基于此数值解,对非稳态渗流气压变化曲线进行拟合,利用最小二乘原理反算确定最优的绝对渗透率和滑移因子。算例表明,计算稳定收敛,对步长和随机误差不敏感,同时能够准确捕捉渗透性能参数的微小变化。最后,利用该方法成功测试了位于中国高放废物处置首选预选区的甘肃北山坑探设施硐室掌子面花岗岩的气体渗透特性。本文提出的方法所需输入数据的获取手段简单,核心算法便于数值实现,可以应用于地下工程围岩的气体渗透性能测试。     

一种非稳态气体渗流条件下岩石渗透特性参数计算方法及应用研究

本文提出了一种非稳态渗流条件下岩石材料气体渗透特性参数的计算方法。首先将气体滑移方程带入非稳态渗流偏微分方程,利用Picard-Newton差分迭代格式建立非稳态渗流方程的数值解。基于此数值解,对非稳态渗流气压变化曲线进行拟合,利用最小二乘原理反算确定最优的绝对渗透率和滑移因子。算例表明,计算稳定收敛,对步长和随机误差不敏感,同时能够准确捕捉渗透性能参数的微小变化。最后,利用该方法成功测试了位于中国高放废物处置首选预选区的甘肃北山坑探设施硐室掌子面花岗岩的气体渗透特性。本文提出的方法所需输入数据的获取手段简单,核心算法便于数值实现,可以应用于地下工程围岩的气体渗透性能测试。     

一种非稳态气体渗流条件下岩石渗透特性参数计算方法及应用

提出了一种非稳态渗流条件下岩石材料气体渗透特性参数的计算方法。首先将气体滑移方程代入非稳态渗流偏微分方程,利用Picard-Newton差分迭代格式建立非稳态渗流方程的数值解。基于此数值解,对非稳态渗流气压变化曲线进行拟合,利用最小二乘原理反算确定最优的绝对渗透率和滑移因子。算例表明,计算稳定收敛,对步长和随机误差不敏感,同时能够准确捕捉渗透性能参数的微小变化。最后,利用该方法成功测试了位于中国高放废物处置首选预选区的甘肃北山坑探设施硐室掌子面花岗岩的气体渗透特性。提出的方法所需输入数据的获取手段简单,核心算法便于数值实现,可以应用于地下工程围岩的气体渗透性能测试。     

不透水地基上均质土坝渗流自由面的有限元计算

为了保证土坝安全,水利工程中需要对土坝进行渗流计算,首先需要确定自由面。根据达西定律和渗流连续方程,以及水头和流量边界条件,建立了不透水地基上的均质土坝渗流的计算模型。利用Geoslope软件,采用有限元离散的方法计算了土坝的渗流自由面,并分析了土坝在不同的渗透系数情况下的自由面位置的差异。最后,解析解计算的自由面结果验证了有限元计算自由面方法是正确的。     

降雨入渗对流变介质隧道边坡稳定性的分析

针对在建公路边坡,受切破、降雨和施工等影响引起边坡及铁路偏压隧道的严重变形,采用三维有限差分数值模拟。计算程序FLAC3D以塑性力学、流变力学和渗流力学为理论依据,利用改进的黏弹塑性流变模型,分析山区挖方边坡和坡顶隧道联合稳定性的过程。通过自编的计算程序,对隧道边坡各种工况力学-流变-渗流进行数值模拟计算,根据计算所得的位移和孔隙压力等值线分布特征,分析其潜在滑动带和隧道破坏影响区,确定其重点加固的范围。应用结果表明,工程抗滑桩桩顶位移监测数据与数值计算结果比较吻合,改进的黏弹塑性流变模型能较好地描述岩土类材料的流变特性。