裂隙网络非连续介质渗流场与温度场耦合分析研究

在岩体水力学研究中,一个重要问题就是岩体渗流场与温度场的耦合分析。笔者关注了国内外相关的研究,对其发展的趋势进行了展望。系统综述了裂隙岩体渗流-温度耦合的研究情况,阐明了裂隙岩体三种渗流模型的特点、适用范围及裂隙网络非连续介质模型的研究概况,分析了裂隙岩体渗流-温度耦合作用研究及工程应用。最后,提出基于裂隙网络非连续介质渗流温度耦合分析是目前亟待解决的课题,并指出今后需要深入研究的问题。     

大坝渗流基流的分析模型研究

深入研究了库水位等变化对渗流变化滞后效应,探讨了渗流的滞后模型,利用该模型进行优化分析,确定了渗流滞后天数和影响天数以及上游有效水深等参数;并借助于上游有效水深,将非稳定渗流计算问题转化为稳定渗流的求解问题,简化了计算;在此基础上,结合实测资料及渗流分析,建立了大坝渗流基流的分析模型。算例表明：建立的模型能较好地反映基流的变化性态。     

降雨作用下路基裂隙渗流分析

为探讨路基裂隙在降雨作用下渗流特征及其对路基含水率影响作用,分析了路基裂隙产生的原因及土质裂隙特征,研究了土质裂隙渗流特点。根据降雨IEM及FDEM模型,推导了降雨作用下路基裂隙渗流公式。利用Hydrus渗流软件,分别模拟了路基中的裂隙及路堑边坡裂隙渗流下含水率分布状况特征。模拟结果表明,降雨过程中路基裂隙渗流能够较显著的改变局部路基含水率,在工程中值得重视。     

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。     

基于分布式光纤传感技术的渗流监测理论研究

从阐述多孔介质传热过程出发,逐一分析了在非渗流及渗流情况下,光纤与多孔介质之间的传热过程,详细分析了光纤与水流对流的传热过程,推导了多孔介质中渗流水和光纤之间的换热系数计算公式。在一定假设条件下,推导了导热系数（渗流流速）、加热功率和温升的非渗流情况与渗流情况监测理论方程,为分布式光纤传感技术监测渗流的应用提供了坚实的理论基础。     

基于FLAC3D平台的边坡非饱和降雨入渗分析

为研究降雨入渗条件下三维边坡渗流场的变化过程,在全面研究FLAC3D软件渗流分析模块功能及算法的基础上,通过编写FISH函数完善了FLAC3D软件的非饱和渗流计算功能。基于降雨入渗机制的分析,编写了降雨入渗及停雨出渗边界的FISH函数,实现边坡三维降雨入渗过程的模拟。通过降雨条件下算例边坡的饱和非饱和渗流场变化过程的数值计算,研究了降雨入渗引起的边坡暂态饱和区变化过程,并与已有研究成果进行对比分析,从而验证了自编FISH函数实现边坡三维非饱和渗流计算结果的正确性。研究成果表明,文中提出的边坡三维非饱和降雨入渗分析是可行的,同时也为三维边坡非饱和渗流场的研究提供了一条有益的途径。     

三向应力作用下节理岩体渗流-应力耦合特性

节理岩体渗流-应力耦合特性研究是岩石力学领域的重点和难点。水利水电工程与地下工程中天然节理岩体往往处于三向不等压应力状态,针对三向应力状态下节理岩体渗流-应力耦合特性研究较少。其中,单节理岩体渗流-应力耦合特性研究是基础。首先分析与探究了单节理岩体侧向应力作用效果及渗流作用机制,在单节理岩体渗透性-应力耦合分析模型基础上推导了单节理岩体渗流-应力耦合的理论公式。通过室内真三轴渗流-应力耦合试验,基于全局优化算法的非线性拟合及块体离散元数值仿真,验证了所提出理论公式的合理性。基于电路原理,给出了模拟电路与渗流问题的相似物理量,通过引入等效渗流阻方法,探究了典型的含正六边形主干节理网络的渗流-应力耦合特性。该研究结果对实际工程岩体的渗流分析有一定的参考价值。     

原状非饱和离石黄土向上渗流规律试验研究

地下水(潜水)位上升,在黄土(非饱和土)中会产生一种特殊的渗流现象——向上渗流。为了探索黄土中的向上渗流规律,自主研制了非饱和土向上渗流试验仪,对4组原状非饱和离石黄土试样(高20 cm,直径8 cm)均分别进行定压力水头为1 cm、5 cm、10 cm条件下的向上渗流试验,观察水在土中向上渗流的过程、渗流锋面形态及变化,从而获取渗流锋面位移-时间关系(渗流速度)、渗流压力-渗流速度关系等渗流特征参数,并分析不同条件下的向上渗流规律,得出如下主要结论:(1)渗流锋面位移与时间关系曲线呈似抛物线状;(2)依据渗流速率变化,可将渗流过程大致分为快速上渗期、缓慢上渗期、趋稳上渗期3个时段,对比分析得到定水头压力、干密度及天然含水率等因素对渗流速率的影响;(3)试验发现虫孔发育且贯通性良好在水分入渗过程中起到一定的促进作用,会加快向上渗流的速率,通过对所得试验数据进行回归分析,得到渗流锋面位移H与时间T的拟合公式。     

裂隙岩体非线性渗流特性分析

开展了不同围压下的裂隙岩体渗流试验,提出了一种简单的裂隙隙宽测量方法,并研究了渗流过程裂隙的变形特征;基于Forchheimer非线性渗流方程,计算了非线性系数及渗透率,分析了围压与非线性系数及渗透率的关系。研究结果表明,随着围压增大,岩样的渗透率减小,非线性渗流系数增大;裂隙粗糙度越大,越容易引起非线性渗流;裂隙水力开度与力学开度随围压变化趋势一致,水力开度约为力学开度的5%。     

不同渗流强度对明渠水流结构影响的试验研究

关于明渠流引入渗流后的水流运动规律研究很多,但学者们的研究却存在着不同的结论。为探究不同渗流强度对明渠水流结构的影响,通过自行设计的明渠紊流水槽及渗透装置,利用PIV（Particle Image Velocity）图像采集系统及数据分析软件,测量了水流流速并分析了流速变化与相对渗流强度的关系。结果表明:水流流速并不是渗流强度的单值函数关系,随着入河渗流强度的增加,近底水流流速呈先减小后稍有增加,又继续减小的趋势;出河渗流时流速变化趋势与入河相反;出河及入河渗流都有着拐点的存在,且对应的相对渗流强度与雷诺数相关,雷诺数越大,拐点出现时对应的相对渗流强度越小。     

坝前冒泡现象的水气两相运移机理数值模拟

为分析黄壁庄水库在库水位骤升后出现冒泡现象的原因,保障水库安全运行,建立了一种耦合Level-Set法的含自由面渗流分析方法。该方法考虑了入渗过程中的气相可压缩性,能够直观地反映多孔介质中水气两相界面的运动与融合,可求解常规方法无法处理的气相参与的渗流问题。运用该方法模拟了该水库在不同蓄水过程下的坝前水气两相运移过程,结果表明:黄壁庄水库坝前水面出现冒泡现象是由水位骤升将铺盖内的空气包围,并随水体入渗压缩空气,出现憋气现象,直到达到突破压强时气体释放所致;蓄水过程是影响坝前水面冒泡现象发生与发展的关键因素。模拟结果与实际观测现象基本吻合,验证了该方法的合理性。     

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。     

流场法探测土石坝渗流矢量分布的有效性分析

利用电流场的电势微分控制方程与渗流场的流速势微分控制方程的相似性原理,流场法通过检测电流场的分布来确定渗流场,并能快速查明堤坝的管涌渗漏入口。为了更精确地描述土坝管涌的渗流分布及渗流方向,可以测试迎水面和背水面的水平方向与垂直方向的电位差,模拟渗流的矢量分布。从电流密度、电位微分及电位微分绝对值等方面,阐述了矢量流场法模拟渗流矢量分布的基本原理,并以某土石坝渗漏探测为例开展了验证工作。结果显示,矢量流场法可以有效揭示土石坝的渗流等级及渗流方向,结合流场法和矢量流场法探测成果,可为查明土石坝渗漏入口、渗流等级及渗流方向提供新的思路。      

黄河龙口水利枢纽库坝区渗漏三维有限元分析

应用三维等参数有限单元法,对黄河龙口水库库坝区周围一定范围的初始渗流场、万家寨蓄水后的渗流场及龙口工程蓄水后的渗流场进行了数值模拟,并计算了相应的渗流量。     

均质土坝管涌发展过程的渗流场空间性状研究

堤坝发生管涌破坏时,渗流场具有强烈的空间特性,管涌发展过程的数值模拟对于堤坝工程管涌预防与治理都具有重要的参考价值。提出以一维通道嵌入三维块体的方法,克服了在三维问题有限元模拟方法上存在的困难。在探讨均质土坝管涌发展过程模拟方法的基础上,使用数值方法分析了土坝管涌发展过程的渗流场时空分布特性;揭示了管涌发展过程中渗流力集中状况及其变化规律。研究表明,改善渗流场的形态是防治堤坝工程管涌的关键措施。     

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。     

天然土石坝稳定性初步研究

滑坡堵塞江河形成的天然土石坝是自然作用的产物，不同于人工土石坝，天然土石坝形成后有些存在几十年，几百年，有些形成后不久就溃决，这与坝体本身的性质和河水入流量有关，依据野外实测资料，证了土石坝的稳定性的主要是同土石坝的物质组成，几何形状和堰塞湖入流量等因素决定的，这一研究为天然土石坝的稳定性预测奠定了基础。     

金沙峡电站闸坝区渗流场有限体积法数值模拟

为实现泄冲闸、进水闸和土坝结合部位三维渗流场真实区域的数值模拟,采用有限体积法对含排水孔在内的闸坝区三维渗流场进行了网格划分。根据计算结果可知,闸基处防渗墙效果微弱,溢出点垂直坡降大于允许值,对工程不利,并提出了相应的改进措施。     

煤层瓦斯渗流特性研究进展

针对非线性瓦斯流动理论和煤层瓦斯流固耦合理论存在的问题,以及越来越多高温矿井引发的瓦斯灾害治理难题,在综述煤层瓦斯渗流研究进展的基础上,对国内外学者在非线性瓦斯流动理论、地温场效应的瓦斯流动理论以及煤层-瓦斯流固耦合理论3方面的研究成果给予了重点评述,展望了地球物理场作用下煤层瓦斯渗流特性研究领域的发展趋势。研究显示,在非线性瓦斯渗流、深部开采引起的高温和低渗透问题以及煤层瓦斯的流固耦合问题等方面,还需做更深层次的探索。      

陆浑水库坝基水位观测资料分析

经过对 30余年水位观测资料的整理和分析 ,在厘定水文地质模型的基础上 ,运用数理统计原理 ,获得了坝基地下水渗流特征及其变化趋势的基本认识 ,这包括库、管水位关系 ,代表断面测压管平均位势过程线 ,特定库水位时测压管管水位过程线 ,坝基渗流量变化。研究表明 ,上游铺盖与截水槽结合下游排水的防渗体系有效地控制了坝基水位 ,这为水库投入正常高水位(319.5 ,32 7.5 ,331.8m)的运行提供了详实的理论依据。