时变补给条件下河渠间潜水的一维非稳定运动

针对河渠间潜水的一维非稳定运动,考虑了补给强度的时变性,根据Boussinesq方程的第一线性化方法,应用Duhamel原理得到了方程的解析解,进一步得出补给强度为指数函数和三角函数的潜水位计算公式。通过算例分析补给强度指数增加、指数衰减和正弦函数变化条件下潜水面的变化特征,指数增加条件下潜水位单调增加,分水岭从高水位一侧向河间地块中部移动;指数衰减条件下潜水位先增大,后减小,具有一个峰值,分水岭先从高水位一侧向河间地块中部移动,之后随补给强度减弱返回到高水位河渠;正弦函数变化条件下潜水位表现出周期性起伏变化,且水位对补给的响应具有明显的时滞性,分水岭在高水位河渠与河间地块中部之间往复移动。研究结果可为量化分析地下水系统对气候变化的响应以及地表水地下水转化规律等问题提供理论依据。     

倾斜隔水层潜水含水层一维稳定流的新解析解

具有小倾角隔水层的松散沉积在自然界中广泛存在, 研究在这种沉积层中的渗流对许多水文工程问题有实际的意义。对这一问题最著名的解析方法是巴甫洛夫斯基法, 由于它的假设条件是流线的发散角很小, 所以该方法只适用于隔水层倾角很小和边界水位差不大的情况。本文提出一种新的解析方法, 对隔水层正倾和反倾两种情况, 选取适当坐标, 将含水层分为上下两部分, 根据层间越流流量变化率相等原理与质量守恒定律, 导出全微分方程, 获得了解析解。对文献中的4个算例进行计算, 与巴甫洛夫斯基方法结果进行了对比, 其渗流量几乎完全一致, 而水位浸润曲线则随隔水层倾角与边界水位差大小(表现为水力坡度大小, 即与流线发散与收敛角有关)而与巴氏方法结果有所差别, 这种差别随隔水层倾角或边界水位差增大而增加。根据原理分析, 本方法计算浸润曲线精度可能比巴氏方法要高, 并能适用边界水位差与隔水层倾角较大(影响流线发散角与收敛角大小)的情况。     

排水沟附近农田潜水蒸发计算的渗流力学方法

潜水蒸发计算方法通常依据潜水水位消退规律建立经验和半经验公式,或是依据土壤—植物—大气连续体建立的SPAC模型。但在设置排水沟控制潜水水位的地段,潜水水位的消退受沟渠排水与潜水蒸发的共同影响,需建立特定水文地质条件下的渗流力学算法。结合实际观测统计制度,将潜水蒸发及灌溉回归等变量离散成阶梯函数;将设置滚水坝的排水沟,概化为水位稳定不变的第一类边界,建立沟渠边界控制下含阶梯函数型源汇项的潜水非稳定渗流模型;利用Laplace变换给出模型解析解,并通过数值法验证解析解的可靠性。依据模型的解,建立利用潜水水位动态实测数据逐日计算潜水蒸发强度的递推公式,讨论沟渠边界的影响;以安徽淮北平原的一个实例,演示方法应用过程与步骤。计算农田潜水蒸发的渗流力学方法,原理上有别于基于潜水位消退规律或SPAC模型的现行算法,且新方法可清晰反映边界条件的影响,计算所需参量较少,易于实际应用。     

非稳态成藏理论探索与实践

将油气从生成到散失全过程作为时间域内一个连续而统一的系统,并将其分为前油藏、油藏及后油藏等三个阶段,定义了非稳态油气藏的概念,建立了非稳态油气成藏理论框架。非稳态油气藏是指油气处于充注或调整过程之中、尚未形成统一的油气水界面、油气水处于动态平衡状态下的油气富集单元,主要特征表现为在相互连通的储集体内出现多个或大幅度倾斜的油气水界面,或者出现油气水关系侧向倒置等特殊现象。对塔里木盆地哈得逊油田东河砂岩油藏进行了物理模拟实验,探讨了后油藏阶段油气的富集类型,拓宽了油气勘探开发对象。将非稳态油气成藏理论应用于哈得逊地区和塔中4油田的滚动勘探开发实践,后油藏的概念得到了勘探的证实,取得了良好的勘探效果。非稳态油气成藏理论为塔里木盆地油藏滚动勘探开发奠定了新的理论基础。     

均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解

渗流场水头分布计算是进行渗流量和渗流水力坡降计算的基础,准确、有效地求取渗流场水头分布是渗流计算的关键环节。对均质非饱和土体一维稳态流的流动方程进行分析,考虑到渗透系数是与基质吸力相关的函数,通过数学变换,给出了稳定渗流场的解析通式,并基于渗透性函数中的Gardner模型,给出了非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解。该解析通式表明,均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布主要受地表水头、深度和流动率3个因素控制。分别计算了一维稳态蒸发条件下粉土和黏土两种典型土类水头沿垂直方向的分布。计算结果表明：稳态蒸发条件下粉土层和黏土层内的水头分布表现出相似的变化规律,即自地表至地下水位处随着土层深度的增加,水头分布呈现出加速递减的趋势;在相同的蒸发条件下,对于相同深度处的黏土和粉土而言,黏土层内水头更高些;对同一种土类而言,在较大的蒸发状态下同一深度处土层内水头更高。反之,则较低。     

巨厚土层一维固结方程的解析解及其在预测非稳定地面沉降过程中的应用

追踪一维固结方程的推导过程，可见方程中的固结系数和含水层导压系数是同一物理量的两个名称．在固结上层巨厚条件下，用把偏微分方程变换为常微分方程的方法，求得上述方程的解析解，原来与水库蓄水后库岸壅水方程相同。利用此解和压缩性关系，预测了砂层和土层的非稳定地面沉降过程。     

用完整明渠潜水非稳定流公式计算傍河水源地可采资源的方法

作者采用完整明渠的开采方案,并用非稳定流公式计算水源地的可采资源量,可供具相同水文地质条件的水源地参考使用,为类似工作提出一种新思路。     

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。     

基于非达西渗流的软土一维非线性固结半解析解

在土中渗流遵循非达西渗流定律的前提下,考虑软土在固结过程中的非线性固结特性,根据饱和土体一维固结的连续条件,推导出基于非达西渗流的软土一维非线性固结控制方程。利用半解析方法对其进行求解,并与差分计算结果进行对比,验证半解析方法的可靠性。最后,着重分析非达西渗流与达西定律之间非线性固结性状的差别,以及不同自重应力分布方式对固结速率的影响。结果表明,考虑非达西渗流下的非线性固结速率比达西定律下要慢,且指数和临界水力坡降越大,非线性固结速率越慢。而且,作用的外荷载越小、地基土层越厚,非达西渗流下非线性固结速率的减慢愈明显。自重应力均匀分布下的非线性固结速率要比自重应力线性分布下慢,但随着荷载的增大、土层的变薄,两者之间的差别会越来越小。     

砂土地区潜水非完整井基坑降水计算的实例分析

以铁岭市某工程为例,由于含水层厚度较大,未提供含水层厚度,基坑涌水量无法直接计算,在含水层厚度H未知的情况,针对大口井降水利用马扎林公式计算等效含水层厚度H0,从而可以计算潜水非完整井的单井出水量为27 650 m3/d,从基坑内四口观测井观测结果看,达到了预期降水效果。     

甘肃永靖黑方台灌区潜水渗流场与斜坡稳定性耦合分析

渗流场与斜坡稳定性的耦合分析是揭示灌溉诱发型黄土滑坡机理的重要途径,也是后续开展基于水位的滑坡灾害风险控制的基础.在综合分析研究区地质结构和水文地质条件的基础上,以调查、钻探、测量、三维激光扫描和监测资料为依据,联合应用Visual Modflow和FLAC3D数值模拟软件,开展潜水渗流场与斜坡稳定性的耦合分析,模型计算结果与监测及野外调查结果吻合较好,潜水渗流场的演化对斜坡稳定性具有控制作用,随着潜水位的升高,台塬周边不稳定区域逐年增加,1990、2000和2010年焦家崖头附近最大位移值分别为0.85、1.19和1.80m.     

Analytical 3D transient elastodynamic fundamental solution of unsaturated soils

Unsaturated soils are considered as porous continua, composed of porous skeleton with its pores filled by water and air. The governing partial differential equations (PDE) are derived based on the mechanics for isothermal and infinitesimal evolution of unsaturated porous media in terms of skeleton displacement vector, liquid, and gas scalar pressures. Meanwhile, isotropic linear elastic behavior and liquid retention curve are presented in terms of net stress and capillary pressure as constitutive relations. Later, an explicit 3D Laplace transform domain fundamental solution is obtained for governing PDE and then closed‐form analytical transient 3D fundamental solution is presented by means of analytical inverse Laplace transform technique. Finally, a numerical example is presented to validate the assumptions used to derive the analytical solution by comparing them with the numerically inverted ones. The transient fundamental solutions represent important features of the elastic wave propagation theory in the unsaturated soils. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

单层非饱和多孔介质一维瞬态响应半解析解

基于Zienkiewicz提出的非饱和多孔介质波动理论,考虑两相流体和固体颗粒的压缩性以及惯性、黏滞和机械耦合作用,采用半解析的方法获得了一类典型边界条件下单层非饱和多孔介质一维瞬态响应解。首先推导出无量纲化后以位移表示的控制方程,并将其写成矩阵形式;然后,将边界条件齐次化,求解控制方程所对应的特征值问题,得到了满足齐次边界条件的特征值和相对应的特征函数。根据变异系数法并利用特征函数的正交性,得到了一系列仅黏滞耦合的关于时间的二阶常微分方程及相应的初始条件。在此基础上,运用精细时程积分法给出了常微分方程组的数值解。最后,通过若干算例验证了结果的正确性并探讨了单层非饱和多孔介质一维瞬态动力响应的特点。该方法可推广应用于其他典型的边界条件。     

Analytical solution for one-dimensional consolidation of clayey soils with a threshold gradient

General approximate analytical solutions are developed for one-dimensional consolidation with consideration of the threshold gradient under a time-dependent loading. A comparison is made between the present solution and some available numerical solutions for a particular case, and the results show that the approach employed in this article is reasonable. The influence of the threshold gradient and the loading period on consolidation behaviour is investigated, and the results show that the moving boundary of seepage moves downward gradually. The greater the threshold gradient is, the slower the boundary moves. The excess pore pressure will not be completely dissipated at the end of consolidation, and the larger the threshold gradient is, the greater the residual excess pore pressure is. The average degree of consolidation considering the threshold gradient defined by settlement is different from that defined by pore pressure. Moreover, the greater the threshold gradient is, the larger the average degree of consolidation in terms of strain, whereas the smaller the average degree of consolidation in terms of stress. It is also shown that the longer the loading period is, the longer the time moving boundary takes to reach the bottom of the layer, and the greater the average degree of consolidation is.     

单层不可压缩饱和多孔介质一维瞬态响应精确解

基于Biot理论,考虑惯性、黏滞和机械耦合作用,假定固体颗粒和流体均不可压缩,得到了表面任意竖向荷载作用下单层饱和多孔介质一维瞬态响应的精确解。导出了以固体骨架位移表示的无量纲控制方程,并将边界条件齐次化。求解对应无黏滞耦合作用的特征值问题,得到一组满足齐次边界条件、关于空间坐标的正交函数基。利用变异系数法和基函数的正交性,得到一系列相互解耦的、关于时间的二阶常微分方程及相应的初始条件,并采用状态空间法求解常微分方程,得到位移分量。对整体平衡方程关于空间坐标积分,根据边界条件可确定总应力,并进而求得孔隙压力。通过算例验证所得解法的正确性     

水库滑坡地下水动态响应规律及浸润线计算模型

库水和降雨直接导致水库滑坡地下水变动,是诱发滑坡的主要因素。已有研究大多是基于监测数据探讨库水与降雨对滑坡变形的影响,未能揭示水库滑坡地下水响应规律,地下水浸润线计算模型没有同时考虑降雨和库水的影响,且模型边界条件与水库滑坡实际情况差别较大。为了揭示大型水库滑坡地下水动态响应规律,需要构建更接近实际情况的地下水位浸润线计算模型。通过三峡水库石榴树包滑坡地下水动态监测,揭示了库水水位变化和降雨条件下滑坡地下水水位动态响应规律,其地下水渗流场近似层流,滑坡前缘和中部的地下水水位与库水位几乎同步,滑坡后部的地下水水位主要受降雨影响,日降雨30 mm会引发地下水水位明显变动。在周期性库水位变化和随机降雨耦合条件下,建立了滑坡地下水非稳定渗流微分方程,解算出水库滑坡地下水位浸润线计算模型,并采用实际监测结果进行了验证。应用计算模型分析了不同工况条件下的滑坡渗流场,并得出滑坡内距前缘水平距离145 m内,库水对地下水有影响;引发地下水变动的降雨和库水位变化阈值分别为0.03,0.1 m/d,且不同的条件组合下降雨和库水位对地下水水位影响存在一定差异。     

半航空瞬变电磁一维聚焦反演研究

半航空瞬变电磁法(SATEM)是一种采用地面发射—空中接收的新兴地球物理勘探方法,具有灵活、高效的特点。目前应用于SATEM的反演方法往往基于最大平滑准则,使反演结果较平滑,无法较好地识别具体的层界面信息。本文将聚焦反演理论引入到半航空瞬变电磁一维反演中,通过选择合适的聚焦因子和正则化因子来确定聚焦反演稳定器,然后对包含聚焦反演稳定器反演目标函数进行求解,使得反演结果更能清晰识别层状地层突变的界面。设置多个层状地电模型验证聚焦反演的可靠性,同时与Occam反演结果进行对比,突出了聚焦反演识别界面的优势。对某地区地下水探测的实际数据进行聚焦反演计算,与水文地质资料、测井信息进行综合分析,查明了该区域地下含水层的位置及其空间展布情况,同时验证了半航空瞬变电磁对地下水探测的可行性。     

Comparative analysis between analytical approximations and numerical solutions describing recession flow in unconfined hillslope aquifers

Recession flow of aquifers from a hillslope can be described by the non-linear Boussinesq equation. Under strong assumptions and for specific conceptual formulations, different authors derived analytical approximations or linearized versions to this partial differential equation. A comparative analysis between some analytical approximations of the Boussinesq equation and the numerical solution of the recession flow of an unconfined homogeneous aquifer (horizontal, inclined and concave aquifer floor) was carried out. The objective was to define the range where the analytical solutions approximate the numerical solution. The latter was considered in this study as the reference method, because it requires fewer assumptions. From the considered analytical approximations, exponential decay relationships were found to be mainly valid for fine domain materials when horizontal, mild slopes (less than 2%) and concave aquifer floors were considered, but failed to reproduce coarse aquifer numerical model outflows, in contrast to the quadratic decay relationship, which better reproduce outflows in such domains. On the basis of the comparative analysis, it has been found that recession flows obtained with the considered analytical approximations yield similar values only for certain ranges of aquifer properties and geometries.

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Résumé L’écoulement de décrue dans les aquifères de versant peut être décrit par l’équation non-linéaire de Boussinesq. En considérant d’importantes hypothèses et des formulations conceptuelles spécifiques, différents auteurs ont dérivé des approximations analytiques ou des versions linéarisées de cette équation partielle différentielle. Une analyse comparative entre des approximations analytiques de l’équation de Boussinesq et une solution numérique de la décrue d’un aquifère homogène libre (limite inférieure de l’aquifère horizontale, inclinée et concave) a été effectuée. L’objectif était de définir la plage pour laquelle les solutions analytiques approchent la solution numérique. Cette dernière a été considérée dans cette étude comme la méthode de référence car elle demande moins d’hypothèses. Parmi les approximations analytiques considérées, les relations de décroissance exponentielle se sont avérées être principalement valides pour des matériaux fins lorsque des couches aquifères horizontales, concaves et de pentes douces (moins de 2%) étaient considérées; en revanche, celles-ci n’ont pas réussi à reproduire les écoulements sortants d’un modèle numérique pour un aquifère à matériaux grossiers, contrairement à la relation de décroissance quadratique qui reproduit mieux les écoulements sortants dans de tels milieux. Sur la base de l’analyse comparative, il s’est avéré que les écoulements en décrue obtenus avec les approximations analytiques considérées présentent des valeurs similaires seulement pour certains critères géométriques et propriétés de l’aquifère.

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Resumen Puede describirse el flujo de recesión de acuíferos de una ladera mediante la ecuación no-lineal de Boussinesq. Bajo fuertes supuestos y para formulaciones conceptuales específicas, distintos autores han derivado aproximaciones analíticas o versiones lineales para esta ecuación parcial diferencial. Se realizó un análisis comparativo entre algunas aproximaciones analíticas de la ecuación de Boussinesq y la solución numérica del flujo de recesión de un acuífero homogéneo no confinado (piso de acuífero cóncavo, inclinado, y horizontal). El objetivo consistió en definir el rango donde las soluciones analíticas aproximan la solución numérica. En este estudio se consideró la solución numérica como el método de referencia debido a que requiere menores supuestos. De las aproximaciones analíticas consideradas se encontró que las relaciones de desintegración exponencial eran principalmente válidas para materiales de ámbitos finos donde se consideraron pisos de acuíferos horizontal, pendientes medianas (menores a 2%) y cóncavos pero fallaron en reproducir flujos de salida de modelos numéricos de ámbito grueso, en contraste con la relación de desintegración cuadrática la cual reproduce mejor los flujos de salida en tales ámbitos. En base al análisis comparativo se encontró que los flujos de recesión obtenidos con las aproximaciones analíticas consideradas aportaron valores similares solo para ciertos rangos de propiedades y geometrías de acuíferos.

     

瞬变电磁法小发射回线探测装置及其应用

瞬变电磁法的探测深度主要与观测时间有关。发射回线的尺寸主要是使信号具有一定的强度,以满足接收机灵敏度和信噪比的要求。当对小发射回线装置供以大电流时,同样可以得到和大发射回线相当的信号强度。大发射回线施工中的边缘效应是目前影响探测精度的原因之一,小发射回线装置避免了这个缺陷。云南、湖南和邢台等地的实际探测结果表明,小发射回线装置最大探测深度达800 m,资料解释结果与工程中的揭露、钻孔资料及地质资料一致。