包气带井回灌引起的非饱和-饱和流分析

包气带井回灌是人工补给含水层的重要方法。在回灌过程中,非饱和带水力参数的准确描述对于提高评价精度、增强回灌管理具有重要意义。目前已有的许多包气带井回灌的解析模型是基于Gardner土壤水分特征曲线模型(含二参数)建立的,随着三参数模型(MB模型)和四参数模型(MN模型)的提出,一个值得关注的问题是使用更加灵活的土壤水分特征曲线模型是否能提高回灌系统中非饱和-饱和流的模拟精度。本研究采用MN模型(Gardner模型和MB模型为其子集)建立了包气带井回灌模型,使用COMSOL Multiphysics对模型进行求解,所得解用于研究在回灌过程中非饱和带水力参数和地表通量对非饱和-饱和流的影响,并比较在回灌过程中基于不同土壤水分特征曲线模型所得到的水力响应。试验结果分析发现包气带井回灌引起的水力响应以及地表通量对回灌的影响均会受到非饱和带渗透性以及储水能力的影响,相对渗透系数指数ωk影响非饱和带渗透系数的变化,持水指数ωc影响非饱和带的储水能力,将指数参数简化为ωk=ωc=ω会在计算和预测包气带井回灌引起的水力响应时带来一定的误差。压力头阈值差b_(1)=ψa-ψk的绝对值较小时,对水头增量的影响也较小,此时将其简化为b_(1)=ψa-ψk=0所带来的误差也较小。本研究成果可以帮助学者们提高对包气带井回灌过程的认识,对于回灌方案设计、实施和管理具有重要的实际意义。

垃圾填埋体中非饱和-饱和渗流分析

结合苏州七子山垃圾填埋场的工程项目,通过室内试验量测垃圾饱和渗透系数和土-水特征曲线,推导其渗透性函数,考虑存在中间覆盖层和截洪沟失效的情况,通过对垃圾填埋体中非饱和-饱和渗流分析,研究填埋单元内的水分运移规律以及中间覆盖层上局部滞水的形成规律。计算结果表明:填埋体中非饱和区域的基质吸力大多保持在3～6kPa,对应的垃圾体积含水量为35%～40%,与实测含水量一致,说明推导出的渗透性函数可用于垃圾的非饱和-饱和渗流分析;中间覆盖层的存在可以大大降低雨水入渗量,但当截洪沟失效时,中间覆盖层是造成局部滞水的重要原因,计算得到的水位与现场测试结果相吻合。

非饱和-饱和状态变化对土质边坡稳定性的影响研究

土质边坡在降雨条件下发生的破坏失稳与土体的非饱和-饱和状态变化存在必然的内在关联。考虑土质边坡的非饱和-饱和状态变化,以此建立非饱和土抗剪强度与基质吸力之间的函数关系,并结合基质吸力的理论分布规律,运用非饱和土边坡的稳定性分析方法研究边坡安全系数,分析土体由非饱和状态向饱和状态的转变过程中边坡安全系数的变化规律。结果表明,雨水入渗使得土体由非饱和状态向饱和状态进行转变;在坡脚处最先出现塑性区,并逐渐向坡顶发展,直至形成贯通塑性区而使土体破坏;土质边坡的滑移面由浅层滑移向深层滑移发展;结合不同的入渗深度下边坡的瞬态安全系数值的变化规律,能够量化计算边坡失稳的临界入渗深度值,为实际工程提供合理的判断依据。

基于非饱和-饱和渗流的降雨入渗边坡稳定性分析

对于雨水入渗导致的土质边坡稳定性问题,基于土质边坡非饱和-饱和渗流和DP5本构模型,引入非饱和土的基质吸力分量、抗剪强度方程和渗流方程,进行了非饱和-饱和渗流场与应力场耦合的边坡稳定性数值分析。结果表明:降雨入渗后,在土体历经由非饱和状态向饱和状态转变的过程中,土体的重度增加导致附加应力增加,饱和度增大致使基质吸力减小,渗流与应力的耦合作用增大了边坡的不稳定性;边坡滑移破坏开始在饱和的表层区域出现,滑移破坏从浅层渐近向深层发展;塑性破坏在坡脚部分最先出现,由坡脚逐渐向坡顶延伸,最后塑性区域贯通并扩大,造成边坡失稳。研究结果可为工程实践提供有效实用的依据和方法。

堆积体滑带土非饱和-饱和渗透特性试验研究

我国西南地区水电工程近库坝区发育有大量的滑坡堆积体,这些堆积体在降雨、库水位升降等水动力条件下极易沿既有滑带产生变形和破坏。以澜沧江流域大华桥水电站大华滑坡为例,针对其滑带土开展了土-水特征曲线试验,分析了非饱和渗透过程的特性及演化规律,研究了不同围压和不同渗压条件下的饱和渗透特性。研究结果表明,采用VG模型可较好地描述大华滑带土的土-水特征曲线及其相对渗透系数的变化规律;通过饱和渗透试验分析发现,在相同条件下围压越大,滑带土的饱和渗透能力越弱,而渗压越大,饱和渗透能力越强,且滑带土饱和渗透表现出较强的非Darcy流特征,其渗透速度与水力坡降之间满足Forchheimer二项式关系,且当围压较低时,速度一次项对渗透的影响更显著。而随着围压增加,速度二次项逐步占据主导。

非饱和-饱和区域中重金属污染物运移数值模拟

为了定量整体描述非饱和-饱和区域内水流及溶质迁移过程,在基于非饱和流动理论及溶质运移理论基础上,建立了非饱和-饱和区域内水流方程与重金属污染物运移方程耦合的数学模型。采用V-G模型来描述土壤水分特征函数.用Lagrange-Quadratic方法进行求解并给出模拟结果:分析结果表明,在非饱和-饱和区域内的压力水头、饱和度以及污染物阻滞因子等参数均随含水率的变化而改变,这是区别于饱和流的主要特点。

非饱和-饱和土壤中水分入渗的数值仿真模拟

为了定量整体描述非饱和-饱和区域内水流入渗过程,在水分入渗理论基础上,基于V-G模型建立了非饱和-饱和区域内水流运动的数学模型,分别对水分在不同粒径大小土壤中的入渗过程进行模拟;分析结果表明:入渗水分进入土壤的初期,由于粒径较大的土壤中充气粗孔的阻隔,使得压力水头与粒径较小的土壤相比减小速率较慢;当进入渗漏与渗透阶段后,粗大孔隙中的空气基本被水分所驱替,渗透性较好的土壤中压力水头减小速率较大;毛细管带高度也是导致下渗速率不同的因素之一,毛细管高度越大,进入渗透阶段的时间越短,反映在压力水头的变化上则为压力水头变化速率降低。

基于VSF的非饱和-饱和带耦合过程的三维水流数值模拟

包气带作为"四水转化"的关键带,在地下水流与溶质运移模拟中起着重要作用。VSF是一款基于MODFLOW-2000开发的用于模拟非饱和-饱和带水分变化和运移过程的数值模拟程序。本文首先介绍了VSF程序的设计原理与结构,并重点介绍了VSF区别于MODFLOW-2000的用以概化非饱和带水分运移和边界条件设置的子程序包模块,包括Richards方程渗流(REF)、浸润面(SPF)、地表滞水(PND)、地表蒸发(SEV)和植物根区蒸散发(RZE)等子程序包。本文以REF、SPF、PND和SEV等子程序包为例,将VSF与MODFLOW-2000耦合应用于一个非饱和-饱和带水流运移过程的模拟算例。结果表明,VSF可与MODFLOW耦合实现饱和带水位与非饱和带饱和度的同步计算,并能刻画模型中单元格饱和状态的变化过程,其多种实用的边界条件可提供较为全面的模拟条件,是模拟实际包气带-饱和带耦合问题的有效工具。

降雨条件下堆积体饱和-非饱和渗流场分析与稳定性演化

降雨是工程区域堆积体边坡失稳的重要诱因,如何评价降雨条件下饱和-非饱和渗流对堆积体边坡稳定性的影响,其挑战在于准确获取堆积体的非饱和渗流参数。以梅家台滑坡典型治理工程为研究对象,采用饱和-非饱和有限元分析,并基于监测资料对渗流场动态反演,准确获得了非饱和水力参数和边界水位,进而采用极限平衡法对滑坡稳定性演化分析。结果表明:坡体后缘补给水位在692.0~694.5 m内动态变化,在后缘补给和降雨入渗作用下坡体内地下水位变幅为3.0~12.0 m;排水措施实施后地下水位下降9.0 m,且变幅降为1.0~5.5 m,同时在暴雨条件下,滑坡中部堆积薄弱带暂态饱和区范围减小84.5%,坡脚饱和区也被抑制到一号公路以下,发挥了很好的排水降压作用;滑坡存在沿中部薄弱带浅层滑动、沿下部前缘浅层滑动、沿老滑带从一号公路剪出3种失稳模式,降雨入渗时稳定性明显下降,稳定系数分别降低至0.82、0.99、0.98,小于稳定安全系数1.05,综合治理措施下,稳定系数分别增加0.28、0.13、0.19,目前稳定系数分别为1.10、1.12、1.17,各个失稳模式稳定系数均大于稳定安全系数,滑坡处于稳定状态。研究成果可为类似工程治理设计和渗流稳定分析提供参考。

热效应下P波入射基岩-饱和土-非饱和土场地地震地面运动研究

基于热效应下弹性波的传播理论,通过建立P波入射基岩-饱和土-非饱和土场地模型,研究了该场地下地震地面运动的问题.采用Helmholtz分解原理,结合边界条件,对热效应作用下场地中的波场进行分析,得到平面P波入射基岩-饱和土-非饱和土场地地震地面运动的解析解答.通过数值模拟,分析了热传导系数、饱和度、地下水水位等物理力学参数对场地地震地面运动的影响规律.研究结果表明:在考虑热效应和等温条件两种模型时,场地位移放大系数表现出显著的差异.特别地,在等温条件下位移放大系数普遍大于考虑热效应时的值;水平位移放大系数的变化趋势与热膨胀系数及热通量相位延迟时间的增长呈正相关性.与此同时,当介质温度和饱和度增加时,水平位移放大系数则表现出下降的趋势;对于竖向位移放大系数,其变化模式与热通量相位延迟时间、介质温度和饱和度的增长呈正相关.然而,当热膨胀系数增加时,竖向位移放大系数呈现出减小的趋势;此外,热传导系数的增加对自由场地位移放大系数的影响不明显,表明热传导系数对场地位移放大系数的变化作用较小;在考虑地下水水位的影响时,热效应下随着地下水水位的升高,水平和竖向位移放大系数逐渐增大.相反,在等温条件下的位移放大系数均随之减小.

动网格在非饱和饱和界面数值模拟中的应用研究进展

为了探讨结构和非结构动网格技术在地下水非饱和-饱和数值模拟领域未来的发展趋势,总结了非饱和-饱和耦合数值模拟研究现状,介绍了动网格技术原理及运动边界结构和非结构网格的变形方法,综述了动网格技术在非饱和-饱和分界面的应用现状及存在的不足,探讨了相关研究的未来发展趋势。综合分析表明:结构动网格和非结构动网格均存在其固有优缺点,结构、非结构混合网格以及多种动边界处理方法的结合使用在非饱和-饱和耦合数值模拟研究中具有重要的应用价值。在模拟潜水面的变动时,可将多种网格变形方法结合使用,当潜水面位置和形状变动较小时,采用弹簧法更新网格;当潜水面位置变化较大但形状变化较小时,采用重叠结构动网格技术或铺层法更新网格;当潜水面形状变动较大时,则采用网格重构法更新网格,从而更精确地模拟非饱和-饱和分界面的变化和移动。相关研究为场地非饱和带土壤与饱和带地下水协同防治工作提供了科学指导。

基于无单元Galerkin法的饱和—非饱和土石坝渗流正演模拟

在土石坝渗流正演模拟中,仅研究饱和区域的渗流场并不能全面真实地反映出土石坝地下渗流状态,非饱和渗流区域的研究同样至关重要,利用无单元Galerkin法对饱和-非饱和渗流域进行求解。首先从达西定律出发,推导了渗流方程及边界条件,其中详细推导了无单元Galerkin法——通过滑动最小二乘法构造形函数,同时利用罚函数的方法计算边界条件。然后,通过与GeoStudio软件计算出的仅饱和渗流场以及饱和-非饱和渗流场进行比较,证明了该方法的准确性及有效性。最后,通过不同的均质和非均质模型,研究了坝体中零压力线、水头值、孔隙压力、含水率的分布。无单元Galerkin法只需要通过节点来实现对全域渗流场的精确逼近,解决了对网格单元的依赖问题,与其他数值方法相比,其具有前期处理数据简单和精度高的优点,更适合稳定饱和-非饱和渗流场这种复杂情况的正演模拟。

饱和-非饱和渗流条件下降雨对粗粒土路堤边坡稳定性的影响

为了研究粗粒土路堤在降雨条件下的入渗过程及稳定性,提出一种基于饱和-非饱和渗流及非饱和抗剪强度理论的路堤边坡稳定性分析方法。利用该方法对算例边坡的降雨入渗过程及瞬态稳定性进行研究。研究结果表明:降雨将引起路堤地下水位升高,降雨停止后地下水位由于雨水出渗而降低;路堤边坡表层受降雨入渗影响,区域基质吸力丧失(甚至变为正值),体积含水率增大,在降雨停止后都逐渐减小;在降雨过程中,路堤边坡安全系数缓慢降低,塑性区随地下水位线沿坡脚向上延伸,面积相应增大;在降雨停止后,在雨水出渗及基质吸力恢复的共同作用下,路堤边坡安全系数得到一定程度恢复。

基于FLAC^(3D)的饱和-非饱和渗流分析

当使用基于有限差分法的FLAC3D计算渗流场时,自由面位置过高,非饱和区渗透系数被定义成常数,这与实际情况不符。运用变单元渗透系数法,对其进行二次开发,并提出了修正的变单元渗透系数法,对非饱和区的渗透系数进行较为严格的理论修正,得出准确的连续光滑的自由面,求解出饱和-非饱和渗流场。利用有限元法与该方法进行对比,论证了该方法的可行性和有效性。提出了附着接触面的方法,解决了三维复杂边界中寻找溢出点的困难;并以实际的三维复杂工程为例,计算了某边坡的渗流场分布情况,经验证,结果准确。研究成果对研究饱和-非饱和渗流以及该软件中与渗流有关的计算具有有指导意义。

考虑饱和-非饱和渗流作用的土质边坡稳定性分析

饱和-非饱和土的研究一直是岩土工程界的一个热点问题。土体中孔隙水压力的存在使得对岩土体的力学性状的分析变得更加复杂化。基于土体渗透系数与基质吸力之间的相互联系,对理想的各向同性土的水库堤坝进行了非稳定渗流场的数值模拟,得出不同水位、同一水位因不同骤升速率而产生的渗流场的变化规律,并对土体固-液耦合研究进行了初步探讨。把堤坝渗流场的动态变化在时间和空间上进行离散,分别引入到坝坡稳定性的分析中,以极限平衡原理和Morgenstern-Price条分法为基础对坝坡产生滑移的最小安全系数变化规律进行了分析,从而得出渗流-滑坡的内在联系。

区域饱和-非饱和地下水流运动数值模拟

根据多孔介质中区域饱和-非饱和水分运动的特征,建立基于迦辽金有限单元法的拟三维数学模型.通过对三维Richards方程沿饱和含水层垂向平均得到水平二维模型的基本方程,在各选定区域非饱和带沿水平方向平均得到多个一维非饱和水流运动方程.一维非饱和模型与二维饱和模型的耦合点为非饱和带计算所得的通过潜水面的流量项.最后,验证拟三维模型的模拟结果,说明模型合理可行,为研究大区域饱和-非饱和水分运动提供了有效的分析工具.

利用饱和-非饱和渗流模型计算坝体自由面渗流

建立了一种饱和-非饱和渗流模型求解坝体自由面渗流.该模型将坝体渗流场的饱和区、毛细区、壤水区表述成统一的非线性抛物型方程形式,通过计算近似间断的饱和度函数自动捕获渗流自由面(浸润面).采用空间有限元离散、隐式时间方法求解描述饱和-非饱和渗流场非线性抛物型方程,对复杂坝体自由面渗流的求解精度高、计算方便.利用该方法对辽宁清河发电厂曹家沟灰场灰坝进行了三维数值计算,计算结果与实测及水-电比拟实验结果比较表明,计算结果是可靠的.

降雨条件下饱和-非饱和土边坡渗流场分析

评估边坡的稳定性是很多工程中的重要问题,降雨会造成边坡失稳。为探讨边坡失稳机理,以降雨强度和雨型为参数,考虑地表径流形成的水膜对于边坡渗流场的影响,针对降雨条件下饱和-非饱和土边坡的渗流场进行数值模拟。通过对不同工况下的饱和-非饱和土边坡渗流场模拟计算,得出以下结论:降雨强度越大,边坡中孔隙水压力变化的程度越大;当降雨有间歇时,随着雨水的消散,表层土基质吸力增加,雨水在重力作用下向下运动,使得下部土体基质吸力有所降低。当继续降雨时,表层和内部土体基质吸力降低;当降雨强度大于土体的渗透系数时容易形成地表径流,径流会在坡脚处积聚成水膜,水膜的存在对非饱和土边坡的孔隙水压力分布有着很大的影响。

考虑饱和-非饱和渗流的土坡极限分析

给出了均质土坝的下游坝坡的安全系数的计算方法。均质土坝的下游坝坡有可能会通过滑裂面发生破坏。土坝中的土坡通常处于非饱和状态。非饱和土坡的安全系数计算需要考虑吸力对抗剪强度的贡献以及土坡中的非饱和渗流。给出处于饱和-非饱和渗流状态下的土坡的安全系数,有助于评价均质土坝的安全系数。下游坝坡的安全系数计算方法有:极限平衡法、上限解法和下限解法,该算法适用于非饱和土坡,且是在饱和土坡安全系数的计算方法上修正得到的。算例中非饱和土坡安全系数的计算考虑了吸力对抗剪强度的贡献。考虑非饱和渗流理论的土坡安全系数计算方法通常更加接近现场实际情况,并且对于同一坝坡,考虑非饱和渗流计算出的土坡安全系数要比饱和渗流理论计算出的安全系数大。

复合土工膜缺陷渗漏试验的饱和-非饱和渗流有限元模拟

介绍了复合土工膜缺陷渗漏量室内物理模型试验以及缺陷渗漏量的经验拟合公式等成果。应用非稳定饱和-非饱和渗流理论和Galerkin有限元法,建立了三维有限元数值计算模型,对该试验进行数值模拟。根据物理模型试验试样的轴对称性,选取中心角10度的试样建立精细三维有限元模型,详细模拟了室内试验条件下不同压力水头作用的渗漏在砂土试样中变化情况,并计算了渗漏达到稳定时的渗漏量。数值模型计算成果与物理模型试验结果变化规律一致,论证了数值饱和-非饱和渗流方法可以较好地模拟复合土工膜缺陷渗流场,并计算缺陷渗漏量。