基于MCMC法的非饱和土渗流参数随机反分析

基于贝叶斯理论,以马尔可夫链蒙特卡罗方法（Markov chain Monte Carlo Simulation, MCMC法）的自适应差分演化Metropolis算法为参数后验分布抽样计算方法,建立利用时变测试数据的参数随机反分析及模型预测方法。以香港东涌某天然坡地降雨入渗测试为算例,采用自适应差分演化Metropolis算法对时变降雨条件下非饱和土一维渗流模型参数进行随机反分析,研究参数后验分布的统计特性,并分别对校准期和验证期内模型预测孔压和实测值进行比较。研究结果表明,DREAM算法得到的各随机变量后验分布标准差较先验分布均显著减小;经过实测孔压数据的校准,模型计算精度很高,校准期内95%总置信区间的覆盖率达到0.964;验证期第2～4个阶段95%总置信区间的覆盖率分别为0.52、0.79和0.79,模型预测结果与实测值吻合程度较高。     

Stochastic analysis of free surface flow through earth dams

This research investigated the unconfined flow through dams. The hydraulic conductivity was modeled as spatially random field following lognormal distribution. Results showed that the seepage flow produced from the stochastic solution was smaller than its deterministic value. In addition, the free surface was observed to exit at a point lower than that obtained from the deterministic solution. When the hydraulic conductivity was strongly correlated in the horizontal direction than the vertical direction, the flow through the dam has markedly increased. It is suggested that it may not be necessary to construct a core in dams made from soils that exhibit high degree of variability.     

非均质土坝稳定性的渗流场和应力场耦合分析

綦于多孔介质的渗流特性和土的非线性本构关系，研究了渗流场与应力场的耦合效应，并针对一实际十坝建立了非线性耦合分析模型，探讨了位于软基之上的非均质土坝的渗流与应力耦合规律。分析结果表明，在渗流作用下，坝休和坝基中渗流与应力的相互作用是不应忽视的，其作用结果将会使土坝、特别足防渗心端附近应力水平和渗透坡降均有不同程度的提高，表明考虑渗流场和应力场耦合作用的计算结果对土坝稳定安全性不利。     

非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性的矢量和分析法研究

研究可以同时考虑渗流、变形与稳定的非饱和土质边坡稳定性分析方法具有重要的理论意义及工程实用价值。基于Fredlund双应力变量理论进行非饱和非稳定渗流-应力耦合分析,同时与传统非耦合渗流方法确定的孔压场进行对比发现,两种方法确定的浸润线变化过程相近,堤底处孔压的最大相对误差为8.8%,验证了耦合分析结果的可靠性。将基质吸力对强度的贡献纳入黏聚力中得到坡体强度参数的空间分布规律,又基于滑面强度参数时空分布规律借助Matlab平台开发了非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性的矢量和法分析程序。以库水位下降条件下堤坡的稳定性分析为例,将不同方法的计算结果进行对比,发现文中方法搜索得到的滑面位置相对于传统方法要深缓,但总体位置相差不大,不同方法对应的安全系数相差不足0.096,验证了所提方法的合理性。     

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。     

水位波动下非饱和心墙土坝体的渗流和稳定性

基于Richards方程,对坝体的饱和-非饱和渗流场进行了模拟,再根据饱和-非饱和渗流场和非饱和土抗剪强度公式,对坝体的稳定性进行了分析。结果表明,水位骤降过程中坝体的安全系数通常呈现先缓慢增加后迅速减小的变化过程,分析坝体失稳时塑性区和位移场发现,水位下降的初期,坝体左侧坡体的安全系数要低于坝体右侧坡体,但水位下降到一定程度,右侧坡体的安全系数迅速减小,并先于左侧坡体失稳;采用有限元强度折减法用于多坡面边坡稳定分析时,只能获得最小安全系数的包络线;心墙具有隔水防渗的作用,对水位变化渗流具有阻尼作用。     

非饱和土渗流与变形耦合问题的有限元分析

基于多孔介质力学原理,建立能模拟非饱和土两相流动与变形耦合问题的理论模型。利用Galerkin法对控制方程进行离散,得到控制方程的有限元计算格式。在此基础上,自主开发了有限元计算程序U-DYSAC2,并对Liakopoulos两相流动试验这一经典算例以及重非亲水相流体（DNAPL）在饱和多孔介质中迁移的离心模型试验进行了数值模拟。计算结果表明,理论预测与试验结果基本吻合,验证了所提出的分析方法在模拟非饱和土渗流以及变形问题时的有效性,从而为定量研究饱和-非饱和渗流以及变形问题提供了一条有效途径。     

膨胀土边坡非饱和渗流及渐进性破坏耦合分析

膨胀土边坡受降雨影响产生膨胀变形,是典型的非饱和土多场耦合问题。为探究降雨入渗对其渐进性破坏的失稳过程,基于饱和-非饱和渗流理论、膨胀土弹塑性本构关系和应变软化理论,利用应变软化模型、FLAC3D二次开发平台和内置FISH语言,提出了一种综合考虑非饱和渗流、膨胀变形和应变软化的多场耦合数值分析法。结合工程实例,通过该方法探讨了降雨入渗条件下膨胀土边坡非饱和渗流、位移响应及渐进性破坏的变化规律。结果表明：膨胀变形和应变软化受控于非饱和渗流的时空分布,对边坡位移响应过程影响显著,也易导致饱和-非饱和分界带形成剪应力集中区。膨胀土边坡渐进性破坏由局部破坏转变为整体性失稳,其塑性破坏区首先随悬挂型暂态饱和区的变化向坡内扩展,雨后逐渐形成第二条由坡脚向坡顶扩展的滑动带,呈现出多重滑动性和后退牵引式的破坏特征。     

降雨入渗对土坡稳定性影响分析

在饱和-非饱和渗流理论基础上,从降雨强度、前期降雨总量、不同的土坡坡度以及是否考虑植被护坡等方面对大气降雨条件下土坡的稳定性进行了探讨.分析结果表明,在土体饱和渗透系数一定的条件下,强降雨对土坡稳定系数影响显著;土坡越陡,降雨强度大小对土坡安全性影响就俞显突出;土坡表层植物根系的存在影响非饱和区渗流场分布,可以延缓非饱和区含水量的增大,土坡稳定系数得到提高.     

Stochastic Modeling of Variably Saturated Transient Flow in Fractal Porous Media

This work presents the application of a Monte Carlo simulation method to perform an statistical analysis of transient variably saturated flow in an hypothetical random porous media. For each realization of the stochastic soil parameters entering as coefficients in Richards' flow equation, the pressure head and the flow field are computed using a mixed finite element procedure for the spatial discretization combined with a backward Euler and a modified Picard iteration in time. The hybridization of the mixed method provides a novel way for evaluating hydraulic conductivity on interelement boundaries. The proposed methodology can handle both large variability and fractal structure in the hydraulic parameters. The saturated conductivity K _s and the shape parameter _vg in the van Genuchten model are treated as stochastic fractal functions known as fractional Brownian motion (fBm) or fractional Gaussian noise (fGn). The statistical moments of the pressure head, water content, and flow components are obtained by averaging realizations of the fractal parameters in Monte Carlo fashion. A numerical example showing the application of the proposed methodology to characterize groundwater flow in highly heterogeneous soils is presented.     

随机单裂隙饱和/非饱和渗透系数研究

裂隙易在降雨作用下诱发滑坡等灾害,裂隙的饱和/非饱和渗透特性是研究此类问题的关键。利用精密数控机床制作随机粗糙裂隙面,并研制了一套仪器进行此随机粗糙裂隙的渗流试验,得到了裂隙的饱和渗透系数,然后通过间接方法预测此裂隙的非饱和渗透系数。研究发现,当裂隙平均开度为0.4 mm时,其饱和渗透系数为0.1 m/s。通过立方定律得到的水力等效隙宽为0.35 mm,小于其平均隙宽。同时裂隙的渗透系数与平均隙宽的平方成正比,这与立方定律的趋势相一致。研究得到了不同隙宽裂隙的非饱和渗透系数函数,当基质吸力小于进气值时,渗透系数为一常数,即为饱和渗透系数;当基质吸力大于进气值时,裂隙板的渗透系数急剧减小。当裂隙板的基质吸力达到其残余含水率对应的吸力值时,裂隙板的渗透系数基本稳定。在此情况下,基质吸力的继续增加对渗透系数的影响非常小,很难使渗透系数减小。     

考虑非饱和渗流作用下三峡库岸滑坡稳定性研究

水库水位的涨落对库岸滑坡稳定性有着显著影响。三峡水库水位涨落引起滑坡体内地下水位的变化,是非饱和到饱和过程。本文就非饱和渗流理论,在库水位涨落过程中,模拟了三峡库区马家沟滑坡暂态渗流场的变化,分析了库水位变动时孔隙水压力的变化。结合有限元强度折减法,将得到的暂态孔隙水压力以荷载方式叠加到有限元中,对该滑坡稳定性进行评价,并探讨了在一个水文周期内水位涨落时滑坡稳定性的变化。结果表明:不论库水位上升或下降,滑坡体的稳定性都显示先减小后增大的趋势。最后对马家沟滑坡提出了在库水位常规下降速度下抗滑桩与地表排水相结合的治理设计方案。     

基于非饱和渗流的水库库岸滑坡稳定性计算

三峡水库蓄水后,库水位涨落和降雨入渗是导致滑坡的主要因素。本文以秭归县下土地岭滑坡为例,在一个水文年内根据库区水位调控方案并考虑库区降雨情况,运用非饱和土力学的渗流和抗剪强度理论,对滑坡稳定性进行了分析,得出在库水位涨落和降雨条件下滑坡渗流和稳定性的变化规律,对库区滑坡稳定性评价和治理有一定的指导作用。     

应用主成分分析法研究渗透介质的渗透稳定问题

结合国内多个水电工程的大量渗透试验数据,在多维系统中选择了5项指标:干密度、孔隙比、不均匀系数、渗透系数和临界坡降,采用多元统计中的主成分分析法进行聚类, 运用回归分析建立了砂性土、砂卵石土、断层带物质三类渗透介质的渗透模型.将所建立的断层带物质渗透模型应用到单薄山梁断层带的渗透稳定分析预测上,得到了模型计算结果与渗透试验所得结果相一致的结论,说明主成分分析法在渗透稳定分析中具有一定的适用性.     

非饱和堤岸的渗流特征及其稳定性研究

通过试验确定了非饱和黏土层的土-水特征曲线和强度参数,通过理论分析建立了非饱和堤岸渗流-应力耦合模型。在此基础上,利用耦合计算程序分析了非饱和土堤岸在河水位变动时的非稳定渗流场特征,结合强度折减有限元法分析了河水位反复升降后非饱和堤岸稳定性的变化。结果表明：水位快速上升时,堤脚渗透流速下降后又逐步上升并趋向稳定,河水位快速上升使堤岸边坡的稳定性降低,随着渗流场中孔隙水压力的调整,堤岸边坡的安全系数又有所回升;河水位骤降时,黏性土层饱和度变化相对滞后,水位骤降加大了堤岸的渗透流速,边坡的稳定性迅速降低,水位下降约120 h后堤岸边坡进入较危险时段;非饱和土的基质吸力提高了堤岸边坡整体稳定性,河水位反复升降降低了堤岸边坡整体稳定性,且河水位越低,水位反复升降对堤岸稳定性产生的影响越大     

裂隙性膨胀土饱和-非饱和渗流分析

降雨入渗条件下的裂隙性膨胀土边坡稳定性与其渗流场分布密切相关,对渗流分析中的积水深度进行了数值模拟,结果显示,不同的积水深度对渗流场的影响很小,因此,在进行裂隙性膨胀土渗流分析时,积水深度为0的假定是可以接受的。基于膨胀土开裂裂隙的规模及渗透性的不同,提出了考虑裂隙系统的膨胀土边坡渗流分析方法,计算结果表明,土体开裂显著改变了膨胀土内部的渗流场分布。该方法可以更好地模拟坡渗流场随时间的变化规律,以及更合理地解释了降雨入渗引起的膨胀土边坡浅层滑动机制。     

列车荷载下冻土路基非平稳随机振动分析的时域显式法北大核心CSCD

随着我国冻土地区铁路运营里程的不断提升,冻土路基在随机列车荷载作用下的动力响应分析成为了急需解决的工程问题。本文以青藏铁路某路基横断面为例,采用时域显式蒙特卡罗模拟法,计算其在随机列车荷载作用下响应的统计特征。首先,提出列车驶过施加在路基顶面荷载的快速计算方法,并引入轨道不平顺及列车行驶速度两类随机参数,以生成随机分析所需的大量荷载样本。然后,采用数值积分方法将运动方程在时域上进行离散,建立任意离散时刻冻土路基动力响应关于列车荷载的显式表达式。基于该显式表达式,可以高效地实施蒙特卡罗模拟,得到在随机列车荷载作用下路基关键响应的均值、标准差和峰值等统计量。采用该方法,分析了路基在夏冬两个季节不同深度处的随机动力响应,发现在夏季路基浅层中的位移和速度响应最为剧烈。数值算例表明,时域显式蒙特卡罗模拟法在冻土路基随机振动分析中具有理想的计算精度和计算效率。     

非均质包气带三氮累积转化模拟砂箱试验

为研究包气带非均质结构对氮素迁移转化的影响,采用室内砂箱实验模拟了1.72 mm/h降雨强度下NH₄-N污染非均质包气带的过程。通过观测出水及土壤溶液中NH₄-N、NO₂-N和NO₃-N质量浓度变化,分析探讨了NH₄-N在含有两个亚粘土透镜体的非均质包气带介质中的迁移转化和累积时空分布特征。结果表明：经过89 d物理吸附和微生物作用,出水NH₄-N首先迅速增加然后逐渐减小,而出水NO₃-N含量持续增加,其间NO₂-N出现累积峰,系统最终达到平衡稳定状态;土壤溶液中NH₄-N在两亚粘土透镜体上表面累积较多,NO₃-N和NO₂-N在上透镜体中的累积含量大于下透镜体;而砂槽上部土壤中出现明显的NO₃-N累积,NH₄-N和NO₂-N则在下部土壤和亚粘土透镜体中累积较多。包气带介质质地、粗 细交互结构及降雨淋溶、水分运移对“三氮”的迁移转化和富集有重要影响。     

基于随机有限元的堤防渗透失稳概率分析

基于随机有限元理论进行了堤防渗透失稳概率分析,探讨了渗透系数变异性、洪水位变化、堤防几何尺寸变化对渗透失稳概率的影响。结果表明,随着渗透变异系数的增加,渗透失稳概率基本呈线性增长,当变异系数增大到一定程度时渗透失稳概率保持不变,随后略有下降;随着汛期水位的升高,堤防渗透失稳的概率不断变大;渗透失稳概率随着堤防坡度变陡而不断地增加,尤其是在堤防坡比大于1：2.5时,其渗透失稳概率增加得非常快。     

非饱和土抗剪强度及土压力统一解

基于统一强度理论和非饱和土双应力状态变量抗剪强度,合理考虑中间主应力效应,建立了非饱和土双应力状态变量抗剪强度统一解,并与文献试验结果进行比较,验证了公式的正确性;进而考虑基质吸力的不同分布,得到非饱和土主动土压力和被动土压力统一解,克服了朗肯土压力的不足,并得出中间主应力和基质吸力对土压力的影响特性。研究结果表明,主动土压力随着统一强度理论参数和基质吸力的增大而不断减小,被动土压力则相反;当基质吸力沿深度线性减小时,主动土压力和被动土压力都不像基质吸力沿深度为常数时变化得那么快。该结果为非饱和土抗剪强度和土压力分析提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值。