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。

考虑非饱和效应的跨海隧道衬砌混凝土氯离子非线性对流-扩散侵蚀模型及其求解方法

为准确预测跨海隧道衬砌内部氯离子含量,本文提出了一个考虑非饱和效应的跨海隧道衬砌混凝土氯离子非线性对流-扩散侵蚀模型。首先,分别引入Langmuir等温吸附结合模型、幂函数型非饱和扩散方程和VG-Mualem水分传输模型,依次考虑氯离子结合效应、混凝土内部非饱和扩散以及非饱和水分渗透作用对氯离子传输的影响,建立非饱和状态下的隧道衬砌混凝土氯离子侵蚀理论模型;其次,基于有限差分原理提出模型的数值求解方法,并验证求解方法的有效性;最后,通过试验分析模型的可靠性,开展参数讨论。研究结果表明:在非饱和状态下,水分渗透对混凝土内离子输运有双重促进作用,使得混凝土内部的饱和度、扩散系数和渗透系数均随时间增加而逐渐增大;在外水压作用早期,混凝土内部处于非饱和状态时,混凝土内部的毛细压力对离子传输效率的影响占主导作用,且呈现出显著的正相关性;饱和渗透系数越大,溶质流速越快,氯离子传输效率也更高。本文提出的基于有限差分原理的数值求解方法是有效的,建立的非饱和状态下隧道衬砌混凝土氯离子非线性对流-扩散侵蚀模型具有可靠性,可用于分析混凝土内部非饱和状态时的氯离子传输规律。

考虑膜态水渗流的非饱和土渗透系数计算方法研究

当前采用土-水特征曲线计算非饱和土渗透系数的方法主要分为经验模型和统计模型两大类。经验模型的计算结果取决于模型中的经验系数,统计模型基于毛细模型采用统计学相关理论推导得出,因此统计模型计算结果相对可靠。研究发现,统计模型主要研究毛细水迁移规律,并未考虑土体中的结合水。因物理化学作用,部分土颗粒表面会吸附水膜,该水膜可作为液态水分的传输媒介。水膜厚度主要取决于土颗粒表面与土中水的相互作用,水膜厚度决定了土颗粒表面膜态水的迁移速率。首先计算单个颗粒表层吸附水膜的厚度、膜态水迁移速率;其次考虑土体中不同粒径颗粒的随机接触,利用级配曲线计算不同粒径颗粒的连接概率;最终依据单颗粒膜态水的迁移速率并结合颗粒间的随机接触概率,提出非饱和土膜态水的渗透系数预测模型。为验证模型的可靠性,选取其他文献中的试验数据对比模型预测结果,对比结果表明本文预测结果与文献试验结果吻合度较好,比传统统计模型表现出一定的优越性。

降雨对非饱和土边坡渗流变形及稳定性的影响研究

在降雨对非饱和土边坡影响的研究中,经常分析孔隙水压力和有效应力的变化,而忽略了非饱和土孔隙水含量变化引起的荷载效应。为了实现二者的耦合效应,基于非饱和土渗流-应力耦合原理,建立了考虑孔隙水压力和孔隙水重力的耦合模型。通过实例验证,从有效饱和度、孔隙水压力、有效应力、位移和稳定性等方面分析了孔隙水压力和孔隙水重力对非饱和土边坡的耦合作用。结果表明,考虑非饱和孔隙水压力和孔隙水重力的耦合作用,边坡的稳定性较差。因此,在计算降雨条件下非饱和土边坡的稳定性时,不能忽略非饱和土中孔隙水的重力效应。

考虑渗流-应力耦合的不同降雨条件下非饱和土边坡稳定性分析

降雨是诱发边坡失稳破坏的主要因素之一,由此造成的经济损失极其巨大。通过Geo-studio有限元数值分析软件,在考虑/不考虑渗流-应力耦合作用情况下,对非饱和土边坡有效应力和孔隙水压力进行对比分析,研究了不同降雨强度、持时和类型对边坡稳定性的影响。结果表明:渗流-应力耦合作用使得表层孔隙水压力上升速度及土体基质吸力消散速度加快,土体强度降低,耦合分析得到的安全系数比非耦合分析小;降雨强度越大,雨水下渗速度越快,边坡稳定性安全系数下降速度越快;降雨持时越长,降雨入渗影响深度增加,边坡稳定性安全系数越低;前锋型降雨作用下边坡稳定性安全系数下降最快,其次是均匀型降雨,最后是后锋型降雨。

非饱和岩石温度-渗流-应力耦合模型研究

以研究岩石孔隙比和含水量两个基本量为出发点,考虑温度对渗流黏滞系数和孔隙比的影响、温度梯度引起的流体流动以及流体流动引起的热对流的影响,应用修正的Darcy定律、Fourier定律等,推导出非饱和岩石在温度–渗流–应力耦合作用下的平衡方程、流体物质守恒方程、气体质量守恒方程和能量方程。并将建立的多场耦合力学模型应用于一泥岩竖井的开挖、支护过程,重点分析围岩和衬砌内温度场、渗流场的变化规律,以及泥岩竖井在开挖、支护和运行过程中饱和度的变化规律。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及高寒地区的隧道工程设计与施工具有重要的指导意义。

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。

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。

粘土岩饱和–非饱和渗流应力耦合模型及数值模拟研究

岩体中饱和–非饱和渗流、应力耦合行为对工程岩体的强度和稳定性有十分重要的影响。基于粘土岩实验室非饱和渗流试验的结果,将考虑塑性应变硬化的非饱和渗流、应力耦合模型、Hoek-Brown非饱和渗流、应力耦合模型应用于模拟某粘土岩竖井,研究其在开挖、通风、衬砌支护及长期运营期围岩内渗流从初始饱和→非饱和→近饱和的过程,以及竖井的非饱和流动区域大小对水力学参数(Biot固结系数、饱和度与毛细孔隙压力、水相的相对渗透系数与饱和度)的敏感性。结果表明:水力学参数对非饱和渗流的影响区域非常显著,尤其是水相的相对渗透系数与饱和度的关系。力学模型的差异对非饱和区的影响几乎可以忽略不计。

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。

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。

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。

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。

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。

饱和-非饱和渗流作用下边坡稳定分析的混合法

针对边坡稳定分析条分法存在的问题 ,在饱和 -非饱和渗流不动网格有限元计算的基础上 ,用土体单元所受的渗透力代替其周边的孔隙水压力 ,达到利用渗流计算时的剖分网格和计算结果 ,直接连续进行渗流作用下的边坡稳定分析的目的 ,并采用数学规划中的单纯形法自动寻找最小安全系数 .算例表明 ,该方法具有一定的实用性 ,并为考虑降雨等引起的饱和

泄洪雾雨区裂隙岩质边坡饱和-非饱和渗流场与应力场耦合分析

岩质滑坡除与地质条件、降雨等因素有关外,泄洪雾雨也成为其不可忽视的催化剂。通过裂隙岩体渗透性与应力关系,裂隙岩体的弹塑性本构关系以及渗流场的控制方程,建立起饱和非饱和渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型。编制了有泄洪雾雨影响的饱和-非饱和渗流与应力耦合三维有限元程序,通过迭代求解达到两场耦合目的。以实际工程为例,根据边坡的地表信息、开挖信息、岩层分界信息以及排水洞和帷幕信息等,建立起边坡地质模型。通过耦合计算,详细分析了耦合后边坡岩体的变形、应力以及塑性区等。计算结果表明,雾雨区的边坡稳定与渗流场变化有着重要关系,在评价边坡稳定与否时,要考虑渗流场对其影响。计算成果为实际工程的安全评价提供了一定的科学依据。

土质边坡的饱和-非饱和渗流分析及特殊应力修正

基于连续多孔介质原理与混合体原理引入流-固耦合模型,采用FISH语言编制程序,建立了初始渗流场设置函数、饱和-非饱和渗流分析模块、特殊应力修正模块以及非饱和单元抗剪强度修正模块,实现了利用FLAC3D进行饱和-非饱和渗流分析,同时基于饱和-非饱和渗流场修正非饱和区土体单元的有效应力以及抗剪强度,完成了将FLAC3D中饱和土流-固耦合计算原理扩展到非饱和土中。在二次开发的分析模块基础上对Liakopoulos砂柱排水试验进行数值模拟,验证了计算模型和计算程序的正确性。同时也研究了降雨入渗对土质边坡的渗流场、位移场以及稳定性演变过程的影响,揭示了降雨诱发边坡失稳的机制。