渗透各向异性圆形围堰稳态渗流场解析解

对渗透各向异性土层中的圆形围堰渗流场进行解析研究。将圆形围堰周围渗流场分为3个区域,通过坐标变换以及将边界条件齐次化后,用分离变量法分别得到柱坐标系下3个区域的水头分布级数解形式,结合区域间的连续条件,并利用贝塞尔函数正交性得到渗透各向异性土层中圆形围堰稳态渗流场的显式解析解,与Plaxis2D软件的计算结果进行对比,验证了解析解的正确性。基于解析解,进一步推导出了涌水量、出逸比降公式,并与不同方法的计算结果作了对比,最后对稳态渗流情况下的水压力进行了计算分析。结果表明：相比于其他近似法,解析解求取的流量、出逸比降以及渗流情况下水压力与数值计算结果高度吻合;渗流水压力会随着围堰半径、纵横向渗透系数比值的增大而减小,而后逐渐趋近于一个稳定值。     

Numerical simulation of groundwater flowing to horizontal seepage wells under a river

A horizontal seepage well, consisting of an interconnected vertical well, galleries, chambers and small-diameter radiating bores, is used to acquire relatively clean water that has been filtered through natural alluvial deposits in a riverbed. It has wide application, especially in arid and semi-arid areas. The lack of calculation formulae or models for horizontal seepage wells, up until now, has resulted in several false applications. Based on the analysis of groundwater flow characteristics, it has been concluded that several flow regimes coexist and hydraulic head loss exists in the horizontal seepage well. To avoid the difficulty of confirming the flux or head distribution in such a complex system, the model boundary of the whole horizontal seepage well has been moved to that of just the vertical well, and the well-aquifer system was treated as a heterogeneous medium, where the horizontal seepage well itself is a highly permeability medium. A mathematical model has been developed, based on the coupled seepage-pipe flow, by the introduction of equivalent hydraulic conductivity according to different flow regimes. Then a three-dimensional finite difference numerical model, based on the mathematical model, was developed and applied to a horizontal seepage well in China. The numerical model verified the groundwater flow characteristics of the horizontal seepage well. An erratum to this article can be found at     

降雨条件下岩土饱和-非饱和渗流分析

基于Buckley-Leverett两相渗流方程,提出了新的岩土饱和-非饱和渗流数学模型,利用有限差分方法给出了隐式压力显示饱和度数值求解方法,编制了饱和-非饱和渗流计算程序.结合工程实例,模拟了降雨入渗条件下边坡岩体渗流场孔隙压力变化和含水饱和度变化,模拟结果验证了所提出的模型对饱和-非饱和渗流的有效性.     

Design of hydraulic structures considering different sheetpile configurations and flow through canal banks

This research investigated seepage under hydraulic structures considering flow through the banks of the canal. A computer model, utilizing the finite element method, was used. Different configurations of sheetpile driven under the floor of the structure were studied. Results showed that the transverse extension of sheetpile, driven at the middle of the floor, into the banks of the canal had very little effect on seepage losses, uplift force, and on the exit gradient at the downstream end of the floor. Likewise, confining the downstream floor with sheetpile from three sides was not found effective. When the downstream floor was confined with sheetpile from all sides, this has significantly reduced the exit gradient. Furthermore, all the different configurations of the sheetpile had insignificant effect on seepage losses. The most effective configuration of the sheetpile was the case when two rows of sheetpiles were driven at the middle and at the downstream end of the floor, with the latter sheetpile extended few meters into the banks of the canal. This case has significantly reduced the exit gradient and caused only slight increase in the uplift force when compared to other sheetpile configurations. The present study suggests that two-dimensional analysis of seepage problems underestimates the exit gradient and uplift force on hydraulic structures.     

近饱和条件下非饱和多孔介质渗流过程的数值分析

在非饱和多孔介质渗流分析中,近饱和条件下物理模型与数值模型之间的差异会导致数值不稳定问题。为解决这一问题,并保证模拟结果的可靠性,提出了3种方法,并在有限元分析程序U-DYSAC2中分别进行了程序代码的实施。通过数值试验与试验数据的比较,证实了在近饱和条件下土-水特征曲线和水力传导函数的高非线性可引起数值收敛性、稳定性和精度问题,而且在不同条件下含水率和基质吸力的预测结果差异明显。在3种方法中,修正的Van Genuchten模型（MVGM）方法对含水率的预测较为准确,而Line方法对基质吸力的预测较为合理。因此,解决在分析近饱和条件下非饱和多孔介质渗流问题时,为获得接近真实的模拟结果,采用合适的数值方法进行预测是非常关键的。     

隧道开挖的双重介质水力耦合模型有限元分析

基于混合物理论孔隙-裂隙岩体的双重孔隙介质水力耦合计算的微分方程,利用伽辽金有限元法提出了相应的有限元公式,并基于岩体分类指标（RQD,RMR）提出了与岩体应变状态相关的渗透系数计算公式。编制了裂隙岩体双重介质流固耦合的2-D有限元程序,给出的验证算例表明,该程序是合理和实用的。同时将该程序用于隧道开挖的模拟计算,探讨渗流效应对开挖隧道围岩变形与渗流场的影响。计算结果表明,在隧道设计中不考虑渗流的影响是偏于不安全的。     

水流对渗流的影响实验研究

岸坡渗流是江河崩岸的主要诱因和重要研究内容之一.土力学中的渗流分析均建立在土体内部为低流速的层流、土体之外为静态水体的基础之上,而岸坡渗流之明显区别就在于土体之外的水体并非静态.利用新研制的实验设备,进行了不同切向水流流速、不同渗流水头差组合情况的水流渗流耦合试验,结果分析表明,水流对渗流有明显影响,并呈规律性变化:渗出面渗透比降越小,水流对透水性能的降低程度就越大,而比降超过一定数值后,水流将会增强透水性能.研究结果对江河两岸堤防等建筑物的安全评价将有着重要的理论价值和实用性.     

贮量集中有限元方法在渗流计算中的优点

普通有限元方法和有限差分方法是渗流计算中常用的数值方法,而贮量集中有限元方法则很少被实际应用。为了使渗流计算者全面了解贮量集中有限元方法,并能够较多地应用这种方法,本文将渗流计算中的贮量集中有限元方法、普通有限元方法和有限差分方法进行了对比,具体比较和分析了有限元方程组的系数矩阵特征、计算工作量,通过具体的算例分析了它们的计算精度,由此指出:贮量集中有限元方法的计算精度与有限差分法基本相同,而远好于普通有限元法,它的计算工作量小于其他二种方法      

致密煤层气藏三维全隐式数值模拟

我国煤层普遍存在低渗、低储层压力和低含气饱和度等不利条件,许多研究表明,低渗透多孔介质中的气体运移存在启动压力梯度。为了让数值模拟模型能更加准确地描述致密煤储层中流体的运移特性,基于前人的研究成果,建立了考虑启动压力梯度的致密煤层气藏三维、非平衡吸附、拟稳态条件下气、水两相耦合流动数值模拟模型,并给出了模型的全隐式有限差分格式和数值求解方法。最后利用沁水盆地某生产井的试井资料进行了模拟计算,模拟结果表明,在其他条件相同的情况下,启动压力梯度的存在使得煤层的降压效果变差,且延迟了产气高峰的到来。对比该井的开采资料,模拟结果是合理的,模型能正确反映致密煤层气藏中流体的运移特征。     

基于透明土孔隙介质双渗流模型试验研究

对土体内部渗流可视化研究,透明土材料可以作为的重要研究手段之一,能实现的岩土体内部渗流直接观测研究。利用透明土技术,建立双重孔隙型介质渗流物理模型,利用有限差分软件FLAC3D建立双重孔隙型介质结构三维数值分析模型,进行测量数据和数值模拟计算对比分析。模型试验结果和模拟结果表明,基于透明体的双渗透实验能实现渗流的可视化,以及FLAC3D数值模拟结果与实验所测的流速曲线拟合良好。     

无压渗流问题分析的多节点有限元方法

采用基于平均值插值的多节点有限元方法分析有自由面渗流问题。在自由面附近采用多节点单元逼近自由面,利用平均值插值建立多节点单元的形函数,在远离自由面的区域采用四边形/三角形单元剖分。给定一个初始自由面位置,通过对渗流控制方程的多节点有限元求解,根据自由面上节点水头值判断自由面节点的调整方向和大小,最终迭代求出自由面的位置。土坝渗流问题的数值分析表明了所提方法的有效性和足够的计算精度。     

含天然气水合物沉积物分解过程的有限元模拟

温度和压力的变化会引起含天然气水合物沉积物的分解,其过程伴随着相态转换、孔隙水压力和气压力耗散、热传导、骨架变形等过程的相互耦合作用。基于多孔介质理论建立了描述含天然气水合物沉积物分解过程的数学模型,考虑了水合物分解产生的水、气流动、水合物相变和分解动力学过程、热传导、骨架变形等过程的耦合作用。基于有限元法,建立了模拟水合物分解过程的数值模型,并编制了计算机分析程序。通过对降压法和升温法开采过程的数值模拟,揭示了在水合物分解过程中沉积物储层的变形、压力、温度等因素的变化规律。结果表明：降压法和升温法都会导致储层变形以及产生超孔隙压力,但两种方法作用效果不同;同时,水合物分解过程包含渗流及热传导作用。     

非均匀多孔介质等效渗透率的普适表达式

多孔介质渗流是普遍的物理过程,涉及地下工程、地热开采、环境工程等各行各业,尤其是工程建设,常面临防渗问题。由于地质条件的复杂性,工程区域地层受到成岩、压实、风化、生物作用等各种影响,故渗流性质复杂,常需要对建设区域的渗流状况进行数值模拟,从而为工程的设计施工提供决策依据。数值仿真结果依赖于对地层介质关键参数的选取,但目前工程多将其视为均匀介质处理,对于介质的非均匀特性考虑较少。文章旨在研究非均质多孔介质渗透率空间分布与等效渗透率的关系。基于连续介质假定、达西定律以及非均匀多孔介质渗透率空间分布函数,建立一维到三维的达西渗流问题模型,通过求解偏微分方程和理论推导,得到基于渗透率空间分布函数的等效渗透率理论表达式,并与有限元计算的数值解进行对比分析,结果表明理论值和数值解误差很小,证明等效渗透率的表达式的合理性。利用该成果可通过多点局部渗透率的测定构建渗透率空间分布函数,从而对整体渗流区域的渗透性质进行快速计算和评估,从而简化异常复杂的工程地质模型以减少计算量需求,对于工程仿真的快速计算和结果评估有重要意义。     

双重介质水平井产量递减分析方法

水平井开发特殊类型油气藏有其独到优势,针对双重孔隙介质水平井复杂渗流,以Warren-Root双重介质模型为基础,建立了水平井三维不稳定渗流模型,采用Laplace变换、有限Fourier余弦变换及叠加积分等方法对模型进行求解,获得定产条件下无量纲井底压力解,再利用Duhamel褶积原理将定产条件压力解变换为井底定压条件下的产量解;通过重新定义无量纲量建立McCray型产量积分平均递减方程,结合Stehfest数值反演,获得无量纲产量积分平均递减曲线及其导数曲线图版。计算结果表明,产量积分平均导数曲线上出现双重介质特有的“凹子”, 应用该类图版拟合生产数据可方便进行产量预测及储层动态参数求取。     

砂性土细颗粒起动临界水力坡降计算方法

地下水渗流作用下内部不稳定砂性土将发生潜蚀现象,潜蚀作用引起的土体渗透破坏会对土工建筑物或地基造成不良影响。考虑土体有效应力和细颗粒应力折减,建立渗流场中细颗粒受力模型,根据极限受力平衡状态得到潜蚀过程中砂性土细颗粒起动临界水力坡降计算公式,并通过DEM-CFD耦合方法以及现有试验数据进行验证。结果表明：砂性土中细颗粒以滚动方式起动,起动临界水力坡降受渗流水流、土体特性以及颗粒自身特性共同影响;砂性土表层细颗粒起动临界水力坡降受埋深影响较大,埋深1 cm的细颗粒最高、最低起动临界水力坡降相差10.169%,埋深10 cm时差异减少至1.061%。该计算方法与数值模拟和渗流试验结果的最大标准误差分别为6.038%、11.211%,可以较为准确地预测砂性土细颗粒起动临界水力坡降。     

堤内压盖渗流分析的临界破坏点法

根据洞庭湖区堤防地质特征,建立二元结构堤基堤内压盖模型。基于渗流有限元理论和虚单元固定网格法,编制了堤内压盖渗流有限元程序。通过在压盖上方增加大量强透水性空气单元的方式,解决了压盖渗流计算中经常遇到的2次入渗问题。同时,研究了压盖宽度对防渗效果的影响,得到在堤内有、无水塘的情况下压盖宽度与堤内最大渗透坡降的影响曲线,指出影响曲线主要呈线性变化的趋势,并提出了用于确定临界压盖宽度的临界破坏点法,该法以压盖宽度-堤内最大渗透坡降影响曲线的延长线与天然覆盖层的允许渗透坡降线的交点作为临界破坏点,临界破坏点左侧的堤内区域为可能破坏区域,需要压盖加固;右侧为安全区域,不需加固。临界破坏点法的应用,大幅度地减小了有限元计算模型,避免了多次重复的有限元计算,显著地提高了计算效率,与规范、有限差分等传统方法相比优势明显。     

平原病险水库堤坝渗流控制方法研究

根据2000年实测数据绘制了在不同水位下水库堤坝测压管等水位线图,建立垂向二维有限元法渗流数值模型,模拟了尔王庄水库堤坝11个典型断面稳定渗流状态。综合分析测压管实测数据、现场勘查和计算结果,确定水库渗漏严重坝段。计算得出全封闭、悬挂式高压喷射灌浆防渗墙两加固方案下坝体单宽渗流量、浸润线、渗透比降等水力要素,结果表明全封闭设计可降低70.04%~98.32%渗流量,截渗沟或明渠处溢出渗透坡降降至0.001~0.023,控制效果显著。     

地下水向水平井三维流动的有限层分析

基于地下水向水平井三维流动数学模型,利用半解析数值分析原理推导了层状各向异性承压含水层有限层方程,给出了水平井源汇项计算公式,编制了相应的计算程序,实现了有限层方程的求解。通过算例的解析解和有限差分解验证了有限层法及程序的正确性,对比分析了有限层法与有限差法的计算效率。结果表明,有限层法适于层状各向异性承压含水层中地下水向水平井三维流动问题的模拟分析,且具有较高的计算效率。     

地下工程渗流场有限元模拟研究

在水电、石油、交通等部门的地下工程中,经常会遇到地下水的渗流问题,如果处理不当,可能诱发应力恶化而影响结构稳定。本文以非饱和介质的渗流模型为基础,实现了地下洞室开挖过程中的非稳定渗流场解析。
按分期施工方案,在保持渗流场变化连续性的前提下,对各施工阶段进行了准稳定渗流分析,并在此基础上建立了地下工程非稳定渗流数值模型。其中,对于洞室系统,基于水量平衡原理,采用了子结构模型;对于防渗帷幕,采用了隔水层模型;对于排水井列,采用了杆单元模型。
根据上述模型,采用有限差分法作为数值模拟方法,编写了地下工程非稳定渗流场分析的有限元程序,实现了复杂渗流区域的渗流场的动态模拟。工程实例计算分析表明,用该模型计算的结果是合理的。      

岩体裂隙网络渗流变水温影响分析

考虑岩体裂隙渗流变水温影响,推导单裂隙变水温水流近似解析解和有限元解,在此基础上分别建立裂隙二维网络变水温渗流数值求解方程,分别对应裂隙网络变水温渗流分析的近似解析法和子结构法。分析变温水流运动规律发现：（1）单裂隙内水流水头与水力坡降成非线性关系,当水流由高温区向低温区流动时,水头分布曲线为凸曲线,此时按线性渗流简化水头整体偏小;当由低温区向高温区流动时,水头分布曲线为凹曲线,此时按线性渗流简化水头整体偏大。（2）单裂隙内,高水温处水力坡降小,低水温处水力坡降大;裂隙平均水温越高,流速越快;裂隙网络内存在与裂隙宽度相似的温度偏流效应,即交叉节点水流有偏向水流温度高的裂隙流动的趋势。在温度较高和温度梯度较大的区域,应该考虑水流温度变化对渗流场的影响。