RULE OF TRANSIENT PHREATIC FLOW SUBJECTED TO VERTICAL AND HORIZONTAL SEEPAGE

In a semi-infinite aquifer bounded by a channel, a transient flow model is constructed for phreatic water subjected to vertical and horizontal seepage. Based on the first linearized Boussinesq equation, the analytical solution of the model is obtained by Laplace transform. Having proven the transformation between the analytical solution and some relevant classic formulas, suitable condition for each of these formulas is demonstrated. On the base of the solution, the variation of transient flow process caused by the variables, such as vertical infiltration intensity, fluctuation range of river stage, aquifer parameters such as transmissivity and specific yield, and the distance from calculating point to channel boundary, are analyzed quantitatively one by one. Lagging effect will happen to the time, when phreatic water gets its maximum fluctuation velocity, response to the varying of the variables stated above. The condition for some variables to form equivalent lagging effect is demonstrated. Corresponding to the mathematical charac teristics of the analytical solution, the physical implication and the fluctuation rule of groundwater level are discussed.

潜水位动态计算灌溉回渗强度动力学方法研究

在沟渠侧渗与田间下渗都不可忽略的灌区,由于潜水水位动态数据分项计算田间下渗与沟渠侧渗的困难,研究基于地下水动力学原理,当田间下渗强度ε为常数,将ε作源汇项构建沟渠附近潜水非稳定流模型,对模型进行线性化、齐次化处理,利用Laplace变换,求出模型解;对随时间变化的下渗强度,利用分段函数将其离散,按叠加原理求出解.然后,基于模型解,构建利用潜水水位动态数据计算田间下渗强度的递推公式,结合Darcy定律给出计算沟渠侧渗算式,讨论沟渠边界对潜水位变动及对侧渗强度的影响规律.以淮北平原某干渠附近潜水位动态为例,演示上述过程:在48 h计算期内,沟渠侧渗对潜水位变动的贡献比例,从初期的4.3%迅速上升到末期的62.8%.据此所提出的计算灌溉回渗强度的动力学方法可为灌溉水入渗地下水计算提供参考.

河渠附近潜水一维非稳定流模型Fourier快解求解

对垂向交换量影响下的河渠附近潜水一维非稳定流模型,采用Boussinesq方程的第一线性化方法,在利用Fourier变换求解时,随河渠水位f(t)的变化,需要复杂繁琐的积分变换过程。在f(t)不直接参与变换的前提下,将f(t)用运算符代替并运行于变换过程中,依据Fourier变换的微分性质和卷积定理等性质,建立这类模型普遍适用的含f(t)的理论通用解;依据理论通用解,给出f(t)为几个常用函数时的模型解析解;利用理论通用解的求解方法,可避免大部分繁杂的积分变换运算过程。针对不同的河渠水位变动与垂向补给组合条件,建立利用潜水位动态监测数据计算模型参数的拐点法和配线法;实例演示,模型参数的求算过程。

生态脆弱区采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度解析研究

生态脆弱区生态水位变异程度对区域生态地质环境保护至关重要。煤层采动下生态水位势必发生变异,当前研究集中于采动潜水渗漏下生态水位下降,极少考虑潜水不渗漏/采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度。为此,采用地下水动力学、地下水位实测、数理统计、综合分析等方法,提出以“判别煤层采动下潜水渗漏状态→实测采煤工作面生态水位变化→建立生态水位恢复程度井流解析模型→预测不同生态水位恢复时间→对比不同生态水位恢复时间解析值与实测值”为思路的解析方法,研究生态脆弱区采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度。结果表明:(1)基于“关键层位置+薄板理论+土拱效应+下行裂隙”建立了采动覆岩–土结构下导水裂隙发育高度计算方法,克服了现有经验公式未考虑土层效应导致的预测精度不足,结合残余隔水层厚度与潜水渗漏状态,实现了采动潜水渗漏状态判别;(2)采煤沉陷扰动下实测生态水位呈现“先迅速下降–缓慢回升–趋于稳定”的变化规律,但采后生态水位不能完全恢复至采前状态;(3)建立了采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度井流解析模型,预计生态水位3个不同恢复程度的恢复时间解析值,对比于实测值,两者时间误差均小于10%;(4)从地表地形地貌、大气降雨补给、潜水含水层补径排、矿区井下疏放水等角度探讨了采后生态水位未完全恢复至采前状态原因。

潜水一维非稳态运动的解析理论及应用

讨论了潜水一维非稳态运动Boussinesq方程的对称性,并采用Lie群变换,就某些边界条件求出了其解析解,以便与线性化近似理论作比较;在此基础上,分析了Boussinesq方程线性化所引起的误差问题,并得到了特定条件下严格的零误差线性化方法。最后,通过算例的分析对比,提出了在线性化时应该遵循的一些原则。

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。

垂直与水平渗透作用下潜水非稳定渗流运动规律

对河渠边界控制的半无限含水层,建立垂向入渗与河渠水平渗透共同作用下的潜水非稳定渗流模型;利用Boussinesq第一线性化方法,通过Laplace变换,给出模型的解析解.证明相关经典公式与模型特定解之间的转换关系,分析经典公式适用范围.根据模型解,逐一定量研究下述变量,如垂向入渗强度、河渠水位变动幅度、含水层结构参数如给水度和导压系数、计算点与边界之间的距离,对渗流过程的影响.这些变量的变化,对潜水位获最大上升速度的时间产生延迟效应;论证一些变量间产生等效延迟效应的条件.根据解的数学特征,讨论其对应的物理意义和潜水位变动规律.

渗流计算中求解浸润线的自由面适应网格方法

渗流计算中的浸润线计算属于自由面求解问题,传统的求解自由面方法,多为改变网格去适应自由面在迭代过程中的变化。提出了自由面适应网格方法,该方法与传统方法相反,即在迭代求解过程中不改变网格而是让浸润线不断地去适应网格,采用网格映射的方法去确定浸润线,直至最后达到允许精度,得到要求的浸润线分布。结果表明,该方法具有计算简单,编程方便,精度较高等优点。采用本方法时,如果采用加密网格或者高阶映射的方法则可以进一步提高求解精度。

二维潜水运动方程的分裂解法

本文通过对二维潜水运动方程的变形，按其在形式上所代表的意义不同，用和分裂方法，把它分解成“对流”和“扩散”两部分．对前者，用交替方向有限差分法求解；对后者，用交替方向Ｐｉｃａｒｄ迭代法进行计算，从而达到获得整个问题的解的目的．最后，用数值例子验证了所提方法的有效性，并与线性化的有限差分法作了对比，证明本文所提方法在计算精度上有所提高。

泄水闸堰前冲刷机理及减淤措施研究

低水头航电枢纽堰前泥沙淤积将导致检修闸门无法正常启闭,影响到泄水闸的检修、维护工作。针对此问题,建立了用于研究闸前三元流的泄水闸物理模型及数学模型,运用动床物理模型试验和三维数学模型计算研究了闸前的三维流场及紊动能分布,并观测了闸门不同调度方式下的堰前冲沙效果。结果表明:泄水闸堰前泥沙启动不仅与闸底水流流速有关,也与闸前的水流流态及紊动强度有关,紊动能的增强对泥沙启动的影响作用明显;闸门隔孔开启时水流受挡水闸阻水作用,在闸前近壁区水流下潜形成漩涡,闸前呈现复杂的三元流流态;复流态下的紊动能显著增加,强烈的紊动造成闸前床面泥沙大量启动,比连续开启泄水闸更有利于泥沙的起动,达到较好冲刷效果。

通用函数边界下潜水非稳定流模型的解及应用

针对半无限域河渠附近潜水非稳定运动经典模型中河渠水位边界条件概化的局限性,在经典模型的基础之上将河渠水位变化过程概化为通用函数形式,并采用Laplace变换方法对模型进行处理,结合Laplace变换中的微分定理和卷积定理,给出了模型的解析解.同时,为探讨解在实际问题中的运用,对河渠水位变化过程进行Lagrange线性插值,并结合相关实测水位数据,利用MATLAB软件对含水层参数进行求解.结果表明,通用函数形式河渠水位边界条件下给出的模型解析式形式较为简洁,解的构成也均为常规函数,结合插值函数,经处理后进行含水层参数求解,方法简便且结果精度较高,具有较好的推广价值.

陕北煤田生态潜水保护与矿井水害预防对策

为了在开采陕北侏罗纪煤田煤炭资源的同时对具有重要生态意义的第四系萨拉乌苏组潜水含水层实施有效保护,基于煤田特殊的煤层-地下水空间组合关系,采用试验对比方法,研究了煤炭高强度开采对生态潜水流场的扰动规律,提出了旨在保护地下水资源和预防矿井水害的生态潜水流场优化调控策略。研究结果表明:采煤对生态潜水流场的扰动强度取决于导水断裂带对关键隔水层的破坏程度;导水断裂带发育高度主要受煤层开采强度控制;通过选取限高开采、分层开采、充填开采、限面积开采、条带开采等采煤工艺控制导水断裂带发育高度,使关键隔水层不受破坏,是实现保水采煤目标的有效途径;在条件适宜的井田实施上行开采有利于保护地下水资源和矿井安全。

透镜体特征参数对均质土坝浸润线及渗透流量的影响

透镜体的存在对坝体内原有的渗流场具有显著的影响。研究透镜体对坝体渗流场浸润线及渗透流量的影响规律,旨在为库坝设计及其工程建设中进行提高坝体安全性等工作提供理论依据。以不透水地基均质土坝作为研究对象,通过改变透镜体的4种特征参数(渗透系数、相对位置、面积、形状),采用土石坝二向稳定及非稳定渗流计算程序《DQB》分别计算坝体的浸润线及渗透流量。研究结果表明:透镜体的渗透系数、相对位置及其面积对坝体的浸润线及渗透流量的影响显著,而透镜体的形状对渗流场的影响较小。因此,在库坝实际建设工程中,可通过设置适当特征参数的透镜体来改变坝体的渗流场,提高坝体的安全性或蓄水能力。

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。

河堤内非稳定渗流的实测与分析

在长期洪水渗透的作用下 ,堤防内的浸润线上升并到达背水坡脚 ,这会引起堤防内的孔隙水压力上升和非饱和状态土的强度下降 ,经常由此而导致堤防发生塌陷和滑动破坏 .本文通过原尺寸堤防的洪水渗透试验对堤防内洪水渗透的过程和特征进行了观测 ,并通过对大型河堤长期洪水渗透试验的饱和 非饱和渗流的有限元解析 ,研究了洪水渗透的过程和特征 。

吊水壶尾矿坝渗流特性三维有限元分析

本文结合工程实例,以吊水壶尾矿坝为背景,建立现状尾矿坝三维模型,利用三维有限元法反演分析现状尾矿坝的渗流场,将计算结果与勘察的浸润面对比分析,验证模型的可靠性和合理性。基于此模型建立加高后的尾矿坝三维模型,计算正常蓄水位和设计洪水位两种工况下的渗流场,分析坝体浸润面埋深、滩长、渗流坡降等,结果表明,不设排渗措施时,尾矿坝干滩长度、浸润面埋深均能满足规范要求,而且尖流性态良好,满足渗透稳定。提出该尾矿坎可通过加高工程来进行渗流控制的建议。

湘潭电厂牛角冲灰场灰坝渗流有限元分析

采用有限单元法对湘潭电厂牛角冲灰场灰坝进行了渗流计算,通过分析灰坝的渗流特征,为坝坡稳定性计算和设计部门选取设计参数提供了必要的数据。

非达西渗流条件下的单孔注液强度计算模型

把潜水非完整孔分解为潜水完整孔与承压非完整孔,建立非达西渗流条件下的单孔注液强度计算模型,通过室内试验确定渗流指数和渗透系数,比较达西渗流和非达西渗流条件下的注液强度与现场实测注液强度的差异。研究结果表明：潜水非完整注液孔主要以潜水完整孔的形式向矿体注液,同时承压非完整孔的注液强度也是不可忽略的,基于现场实测的单孔注液强度计算得到承压非完整孔液面升高高度约为潜水非完整孔液面升高高度的1/7,承压非完整孔长度约为潜水非完整孔长度的1/4;注液孔周的渗流过程与达西渗流存在较大误差,当注液孔中液面升高高度为0.4~1.0 m时,非达西渗流条件下的计算注液强度与实测注液强度误差小于15%,满足工程要求。

潜水摄动有限元的随机数值模拟

潜水水流的动态随机模拟是一个复杂而难解决的问题.通过建立二维潜水非稳定流模拟的摄动随机有限元模型,把控制方程的主要参数渗透系数和给水度随机变量、及源汇项和边界条件看作随机变量.在充分考虑4种随机因素的条件下,推导出求解潜水二维非稳定流均值和方差的9个方程;重点介绍了不同方程数值离散的特殊处理方法.通过设定理想例子对模拟结果进行了分析,表明随机变量中边界条件值方差、渗透系数方差变化对水头方差变化的影响很小,给水度方差的变化对水头方差的变化影响很大.本模型考虑因素全面,对一般的潜水非稳定流随机模拟都可应用.本研究给出了边界、渗透系数、给水度的随机因素对潜水动态模拟的影响,丰富和补充了地下水运动的随机理论.

渗流计算中的三维非结构化网格下的自由面适应网格方法

在2维正交网格系统下自由面适应网格方法的基础上,提出了3维非结构化网格下的自由面适应网格方法。该方法在迭代求解渗流自由面时,无需改动网格,而是用映射的方法去让自由面适应既定网格系统,也不需要对出逸边界进行特殊处理,其方法简单,易于程序实现;通过将数值计算结果与甘油试验及室内砂槽模拟结果相对比,表明了该方法在3维非结构化网格系统中捕捉浸润面的精度较高,拓宽了自由面适应网格方法在3维带自由面渗流问题中的应用范围。