无单元Galerkin法的电流场与渗流场耦合正演

联合求解渗流场与电流场是确定土石坝渗流精确分布及评价渗流严重程度的重要途径.为解决水文-地球物理方法中存在的渗-电拟合度差及分辨率损失严重等问题,针对电性参数对水文状态变量的敏感性,本文开发一种基于无单元Galerkin法(Element-Free Galerkin Method,EFGM)的渗流场与电流场耦合正演算法.一方面,通过引入岩石物理关系经验公式及水文状态变量构建耦合模型;另一方面,通过滑动最小二乘法构造形函数,利用罚函数计算边界条件,以解决耦合模型的构建过程中对网格单元过度依赖问题来提高渗-电拟合精度.数值模拟的渗-电关联响应及耦合正演中,分析了土石坝内电流场及渗流路径,探索了各分量对土石坝不同附属结构体的异常响应特征.关联响应结果显示,饱和区内渗-电关联响应吻合较好.但由于非饱和渗流的特殊性,非饱和区介质岩石的物理特性会随着饱和度、孔隙度等因素的变化而发生改变,从而导致土石坝内非饱和区物性参数的分布与饱和区不同,从而造成非饱和区内渗-电场关联响应存在差异.在非饱和区域,耦合电位及电流密度分布与渗流分布吻合度高.渗-电耦合结果对实施模型约束的水文-地球物理耦合反演具有重要理论和实际意义.

隧道拱顶渗漏稳态渗流场的解析研究

针对隧道运营中发生拱顶渗漏且无泥沙涌入的稳态渗流情况,结合保角变换法和分离变量法推导出隧道拱顶渗漏稳态渗流场的显式解析解.应用PLAXIS有限元软件建立数值模型,从渗流场分布、衬砌水压力两方面验证所得解的正确性,通过与现有解析解、数值解、试验结果的渗流量对比来验证所得解的准确性.进行参数分析,探究隧道埋深、渗漏宽度对衬砌水压力和渗流量的影响规律.结果表明,衬砌水压力在以渗漏位置为中心±60°范围内明显降低;随着隧道埋深的增大,衬砌最大水压力减小,渗流量先减小后增大,且渗流量最小值对应的隧道埋深随着地表水头的增大而增大;随着渗漏宽度的增大,衬砌最大水压力减小,渗流量增大,当渗漏宽度大于0.05 m时,渗漏宽度变化对水压力和渗流量的影响较小;在渗漏宽度较小时进行渗漏控制的效果明显.

成层土中基坑二维稳态渗流场解析解研究

成层土中基坑渗流场与均质土层中渗流场有较大差别,最有可能发生突涌事故的位置也不同,因此准确确定成层土中基坑二维稳态渗流场是基础工程建设中的重要课题。针对成层土中基坑稳态渗流问题,将基坑周围土体按成层条件划分为多个区域,采用叠加原理和分离变量法给出各区域水头分布的级数形式解,根据各区域间连续条件和傅里叶级数正交性求得成层土中基坑二维稳态渗流场水头分布的显式解析解。将解析解计算得到的水头分布、挡墙水压力与有限元软件计算结果进行验证,并将解析解退化为单层土形式与半解析解进行对比,结果吻合较好,验证了解析解的正确性和有效性。将解析解与考虑水土相互作用的水压计算方法和等效渗透系数方法进行对比,基于解析解进一步给出计算基坑内出逸比降、挡墙水压力和抗突涌安全系数的计算公式,并结合工程案例分别采用解析方法和等效渗透系数方法对成层土中基坑的抗突涌性能进行分析对比。研究结果表明:解析解在求解成层土中基坑渗流场时更贴合实际情况;考虑不同土层间渗透系数差异时,水头在渗透性较差的土层中变化更快;上层土体渗透系数较小时,在土层分界面处发生突涌的风险比挡墙底部更大;等效渗透系数方法在求解某些成层土基坑渗流场时误差较大。

地形因子对尾矿坝渗流场的影响规律分析

尾矿坝渗流安全稳定性受地形条件影响显著,合理的尾矿库选址是坝体后期安全稳定运行的基础。基于数值模拟方法,通过改变岸坡坡度、山谷宽度和沟谷纵坡比等因素,探究了单个地形因子对坝体渗流场的影响规律。研究发现,山谷两侧坡度对于尾矿坝坝体浸润线的影响最大,底宽的影响次之,沟谷纵坡比的影响最小。同时,结合具体工程实测DEM数据与地层勘察资料,构建了尾矿库三维渗流数值模型。提取地形因子对坝体渗流场进行数值分析,发现山谷地形是影响地下水流动状态的主要因素,建议选择沟谷纵坡比较小、地势较平坦的地形作为尾矿库的选址要求。在此基础上,基于多元线性回归模型建立了地形因子与浸润线高程的关系公式。研究成果可为保障尾矿坝的安全稳定设计提供理论基础。

盾构掘进期隧洞穿越竖井段对周围土体渗流场的影响研究

为研究隧洞盾构掘进期间穿越竖井对周围土体渗流场的影响,以河南省穿沁隧洞为工程依托,建立了盾构掘进期竖井段周围土体三维渗流有限元计算模型,对比分析穿越未灌浆填实和已灌浆填实竖井段前后周围土体渗流场分布及其演变规律。结果表明:穿越竖井后相较于未穿越竖井前的竖井周围土体最大渗透坡降、单宽渗透流量分别增加了6.00倍和4.29倍,浸润面逐渐抬高,等势线更为密集;穿越已灌浆填实竖井后土体最大渗透坡降、单宽渗透流量明显降低。隧道掘进期间穿越竖井会对周围土体的渗流场产生影响,降低土体的稳定性,容易引发渗透破坏。同时,灌浆填实竖井能有效降低隧洞开挖对周围土体的影响,提高土体的稳定性。

基于等效面积法的三孔并行海底隧道渗流场解析研究

目前对海底隧道渗流场的研究大多基于单孔隧道,考虑到实际工程常采用三孔并行的排布方式,而隧道互相靠近时渗流场会发生干扰,若采用单孔隧道模型其涌水量计算误差可能超过40%。该文对三孔并行海底隧道渗流场进行理论分析,首先分析了理论解析过程中采用等面积法将多心圆形断面简化为圆形断面的合理性;进而提出三孔并行海底隧道渗流场分析模型,以叠加原理为基础,采用镜像法推导出三孔并行海底隧道渗流场解析解,并将公式进行了退化和数值验证。研究结果表明:按照等面积法将多心圆形断面简化为圆形断面分析对隧道总涌水量影响较小;该文解析解具有一定的精度,可以快速预测三孔并行海底隧道涌水量;由于隧道间的泄压作用,三孔并行海底隧道主隧道周边涌水量分布呈现出非对称性。

有限地层三孔并行海底隧道渗流场解析研究

研究目的:目前对海底隧道渗流场的研究大多基于半无限空间的单孔隧道,考虑实际工程常采用三孔并行的排布方式,且实际工程中隧道下方常存在相对不透水层或基岩等不透水边界,本文以渗流力学为基础采用镜像法和竖井理论推导有限厚度地层海底隧道渗流场解析解,将公式进行退化和数值验证,并对不透水边界距离、三孔隧道埋深、间距及注浆参数进行分析。研究结论:(1)隧道下方不透水边界对涌水量影响较大,当不透水边界距隧道中心为25r1时,对涌水量基本没有影响;(2)三孔并行隧道间渗流场存在相互影响,且随隧道间距的增加影响逐渐减弱,当隧道间距大于30r1时,涌水量基本没有影响;(3)三孔并行隧道涌水量随埋深增大呈现出先减小后增大趋势,埋深为2r1时涌水量最小;(4)三孔并行隧道涌水量随注浆圈厚度增大和渗透系数减小而减小,实际工程中应注浆密实度和注浆厚度并重;(5)本研究成果可为相关海底隧道工程的设计与施工提供参考。

基于降阶投影的初始渗流场反演方法

为了解决传统基于降阶模型的参数反演方法的高耗时问题,提出了一种改进的降阶反演方法(IterROM),用于执行快速参数反演任务。不同于传统降阶反演方法先训练后反演的流程,该方法将参数反演与降阶模型训练紧密融合,使用训练中的降阶模型代替原始模型进行参数反演,同时将反演结果应用于降阶模型的训练。该方法在参数反演阶段使用观测资料和后验误差共同组成目标函数,并使用降阶模型解与全阶模型解的最大节点误差作为迭代终止精度。经过某工程初始渗流场反演模型的测试,发现IterROM相比传统方法精度高、计算成本低,可用于快速执行初始渗流场的反演任务。

地铁空间施工中基坑降水对渗流场的影响模拟预测研究

为了对地下水层结构稳定性进行模拟预测,从而保障地铁施工过程的安全,研究利用构建的地质水文模型分析测试三种基坑降水方案的性能。研究结果表明,隔水帷幕下辐射井降水方案在辐射管管径为0.1~0.3 m时,疏降时间维持在5~12 d,最大总抽水量为291279.124 m^(3)。实践结果证明隔水帷幕下辐射井降水方案降水效果较好,应用价值更高,对地铁空间施工中地下地质水文结果的稳定性提升有帮助。

定向钻穿越对堤防渗流场影响及治理对策研究

以某市地表水厂配水管道穿越堤防为研究对象,利用水工结构有限元分析系统(AutoBANK v7.7),建立管道穿越堤防数值模拟。通过在定向钻穿堤管道出土点基坑处沿管道布置截渗环,分析截渗环对堤防的渗流场影响及穿越后压密注浆的检测分析效果。研究结果可以对管网穿越工程的设计、施工以及其他行业管道的规划、建设和施工提供重要的技术支撑和参考。

喷膜防水衬砌在渗流场作用下的力学性能研究

喷膜防水衬砌结构在防水膜黏结作用和渗流场作用下的衬砌受力变形规律不明,影响了喷膜防水衬砌结构的使用与推广。为解决该问题,以某高速车行横洞为研究对象,首先,结合试验测得的界面法向、切向参数,采用FLAC3D有限差分软件内置的界面单元模拟不同防水衬砌结构的防水层形式;然后,通过内置的渗流模式赋予围岩渗流场与衬砌渗透属性;最后,对不同衬砌结构的力学性能和界面特性进行对比分析,模拟得到不同渗流场作用下的喷膜防水衬砌力学性能。研究结果表明:1)防水层对衬砌受力的影响显著,防水膜结构可以提高衬砌混凝土的协同受力能力,但也导致衬砌背后水压聚集;且在长期围岩荷载和高水压作用下,防水层对衬砌受力的影响更显著。2)高水压条件下喷膜防水衬砌与传统复合式衬砌的结构受力不同,应关注喷膜防水衬砌内力与安全系数变化。3)为了在保证隧道运营安全的条件下提高经济性,建议对可能出现高水压力的施工段采取排水设计和衬砌结构优化等措施。

城市轨道交通车站基坑围护结构渗漏点对其周边地下水渗流场变化规律的影响

[目的]在地下工程施工事故诱因中,大约20%的基坑事故是由围护结构渗漏水引起的,围护结构渗漏水会造成基坑发生大变形或失稳。为提高基坑工程施工的安全性,有必要在基坑开挖前对渗漏点进行检测,并针对渗漏点对于基坑围护结构周边渗流场的影响规律进行研究。[方法]以青岛地铁4号线某车站基坑为背景,施工前采用分布式光纤检测方法对基坑围护结构渗漏点开展了检测,并找到了疑似渗漏点。对基坑疑似渗漏点附近的地下水位进行了监测。利用SEEP/W软件模拟了不同尺寸、不同数量的渗漏点对基坑围护结构周边地下水渗流场的影响,并在渗漏点附近布设地下水位监测点以获得现场实测数据。[结果及结论]在基坑开挖降水过程中,由于坑内外地下水压力差逐渐增大,坑内地下水位逐渐下降,在止水帷幕周围形成降水漏斗。在地下水靠近止水帷幕且无渗漏点时,基坑坑外地下水位下降深度约为坑内开挖降水深度的20%;渗漏点宽度为10 mm时,基坑坑外地下水位下降深度约为坑内开挖降水深度的30%。止水帷幕出现渗漏点,导致基坑附近地下水渗入基坑内,水通量、水传导率及水压在渗漏点位置急剧增大,且其数值随渗漏点尺寸的增大而增大。基坑地下水渗流数值模拟结果与工程实测结果基本吻合,说明采用SEEP/W软件模拟地下水渗流场合理可行。

考虑损伤效应的隧道二维渗流场解析及涌水量预测

隧道圆周面涌水量是隧道工程的重要参数,以往研究未考虑隧道开挖损伤因素对渗流场的影响,而隧道施工会对围岩造成一定程度的损伤。考虑隧道开挖损伤的影响,推导了径向未注浆、径向欠注浆及径向完全注浆3种不同径向注浆型式下的隧道二维渗流场理论解析解,而后对隧道渗流场理论解析研究中常用的两种等代圆方法在矩形隧道中的适用性展开了探讨,并对隧道圆周面涌水量及衬砌外水压力的径向注浆参数展开敏感性分析,最后将隧道二维渗流场理论解析解与数值解对比。结果表明:隧道二维渗流计算模型能较好地反映隧道圆周面的涌水量;开挖损伤对隧道圆周面涌水量有着较为显著的影响,对初支施作前的影响最大,对二衬施作后的影响程度最小;当径向注浆相对渗透系数k m/k g达到100,径向注浆相对厚度d g达到1.0倍的隧道内径r 0时,继续增大k m/k g或d g/r 0对降低隧道圆周面涌水量Q和拱顶衬砌外水压力p的效益将不再明显。研究成果可为不良地质岩层隧道的径向注浆设计提供一定的理论指导。

基于渗流场-应力场耦合作用的基坑土体变形特性研究

对渗流场-应力场耦合理论及耦合作用下土体固结特性进行分析,建立耦合作用下有限元方程及有限元模型。从理论联系实际的角度出发,利用岩土有限元分析软件PLAXIS对某采用复合土钉支护方案的基坑工程进行有限元模拟分析,分别建立不考虑渗流场影响及考虑渗流场-应力场耦合作用的2种计算模型,模拟分步开挖时复合土钉支护结构下基坑土体变形特性,并对2种模型计算结果进行对比分析,通过模拟结果与现场实测数据的对比,结果表明耦合作用下的基坑土体变形计算值与现场实测值较为一致。说明考虑渗流场-应力场耦合作用下的有限元数值模拟方法是可行的,计算结果是合理的,对类似工程具有一定的指导意义。

抗拔桩对持力层的渗流场影响研究

以某地下停车场为背景,采用Midas GTS作为分析工具,通过数值模拟软件,对抗拔桩的2种布置形式进行持力层的渗流场模拟分析,分别在静水压力、暴雨5h、暴雨10h等条件下探究抗拔桩对底部持力层的渗流场影响,分析结果显示:抗拔桩过密会导致持力层中形成止水帷幕,止水帷幕造成基坑两端的水压急剧增大,在减少抗拔桩布置后,能够减少该现象产生,从而降低工程成本。

不同降雨模式下土质边坡渗流场分析的数值模拟研究

为准确分析短期强降雨、长期弱降雨和周期性降雨中哪种降雨模式对土质边坡渗流场的影响最大,根据非饱和土渗透系数和饱和土渗透系数的对应关系,该文利用FLAC3D软件监测降雨入渗过程中的地下水位,并用FISH语言实时更新非饱和土的渗透系数,进而确定边坡内部的渗流场变化规律。在广西平陆运河边坡工程现场中监测坡面土质含水量的变化,并将数值模拟结果与现场试验数据进行比较,验证数值模拟结果的可靠性。通过该文提出的数值模拟分析程序,绘出在不同降雨模式下边坡上非饱和土的渗流特征情况,研究结果可指导边坡工程在降雨过程中制定支护方案。

基于GTS的某尾矿库三维渗流场分析

文章采用MIDAS/GTS软件,运用初流量法,选取合适的边界条件对某尾矿坝各个分区及渗流系统包括地下水导排管、防渗膜、排水棱体、截渗坝等进行了三维有限元模拟.选取13个垂直于堆积坝坝轴线的典型剖面绘制渗流场分布图,对渗流场分布、渗流量、渗透梯度等进行计算分析,并得出合理结论,可为类似工程提供参考.

直墙拱形泄水隧洞富水断层段注浆渗流场分析

依托G4216线高速公路卡哈洛综合体把堡河河道改道工程泄水隧洞工程,建立直墙拱形泄水隧洞富水断层段流固耦合数值模型,分析注浆圈厚度和渗透系数对围岩渗流场和隧道涌水量的影响。研究结果表明:隧道开挖渗流达到稳定状态后,在相同埋深处地下水压力呈漏斗状分布。当注浆圈厚度小于5 m时,注浆对渗流场的影响程度较显著;当注浆圈厚度大于7 m时,增加注浆圈厚度对渗流场的影响不明显。增加注浆圈厚度比降低注浆圈渗透系数的效果更显著。

某地下水封石油洞库地下水渗流场及涌水量模拟

地下水封石油洞库是通过人工开挖建于地下,利用稳定地下水的水封作用密封储存在洞室内的石油。具有占地少、投资少、损耗少等优点,但对地下水环境影响相对较大。为评价地下水封石油洞库施工期和运营期对地下水环境的影响,以某大型地下水封石油储库为研究对象,结合现场试验数据,利用GMS软件,建立了非均质、各向异性、三维非稳定地下水流模型和溶质运移模型。研究结果表明:有水幕系统时预测水位高于设计水位3 m以上,可以保证洞库的水封效果,且石油局限于洞室周围不外泄,为后期制定地下水污染防治措施及长期监测计划提供了依据。

基于前池渗流场影响变化下导流墙设计模型试验研究

为研究蔷薇河枢纽工程泵闸前池内导流墙截面体型设计优化,采用了水工模型试验方法,对导流墙高深比设计参数展开了对比试验,分析了不同方案下池内水位、流速及水沙演变。试验结果表明,高深比参数在超过4/12与低于4/12时,前池内水位变化截然不同,同时高深比愈大,水位愈低,特别在高深比6/12~9/12区间降幅最显著。同一流量工况中,进水流量40 m^(3)/s与80 m^(3)/s下流速分别呈“递减-递增-稳定”、“稳定-递增-递减”变化;随高深比设计参数增大,流速水平为先增后减,以高深比4/12方案下流速最高。泥沙淤积峰值厚度与高深比参数为幂函数关系,随高深比参数递增,泥沙淤积峰值厚度逐步降低,且在高深比1/12~4/12区间内尤为显著。进水流量愈大,则泥沙淤积厚度愈低。从试验结果分析认为导流墙高深比设计参数为4/12最适宜,且前池进水流量应稳定。论文可为泵站前池导流墙设计及模型试验分析提供参考。