水位波动影响下的非稳定渗流问题研究

非饱和土体孔隙中的水、气均遵守质量守恒定律和达西定律,根据多孔介质的多相流理论建立水-气二相流模型,模拟边坡土体在水位波动影响下水相和气相流体相互趋替的渗流行为.模型的求解采用效率较高的积分有限差分法进行空间离散,并编制了全隐式联立求解的计算程序,通过变换主要变量,实现了饱和(单相)与非饱和(二相)的相互转变,采用随时间变化的Dirichlet边界条件精确模拟水位波动时的变水头边界条件.同时分析了某土质边坡在水位波动影响下的孔压(孔隙水压力、孔隙气压力和毛细压力)及含水量变化情况.结果表明,由于气相的影响,孔隙水压力和毛细压力在非稳定渗流过程中存在显著差异,水位上升或下降时浸润线附近存在着含有封闭气体的准饱和区,该模型为定量研究准饱和区的渗流行为提供了有效途径.     

降雨条件下非饱和土坡三相流模型的渗流-变形耦合分析

土质边坡降雨入渗的过程中伴随着地下水渗流的推进、孔隙气体迁移和边坡土体变形,因而涉及非饱和土体固-液-气三相耦合的作用.首先基于非饱和土力学基本理论、土-水特征曲线模型,在考虑气相对降雨入渗过程的影响下,建立了考虑孔隙介质可压缩性的二维非饱和土坡固-液-气三相渗流-变形耦合控制方程组.然后利用COMSOL Multiphysics软件的PDE平台,将所建立的耦合控制方程的数值模拟结果与经典Liakopoulos砂柱排水的试验结果进行比较,验证了本文所建立的三相耦合控制方程其正确性.最后对已建好的耦合模型求解分析,对比探讨两相和三相耦合计算模型对渗流场和位移场的影响.模拟结果表明:孔隙水压力随降雨时间的增加而逐渐增大,孔隙气体迁移和土体变形对边坡降雨入渗的推进起阻滞和延缓作用,揭示了固-液-气三相渗流-变形耦合模型能够更真实的反应降雨条件下土坡的变化特征,从而对非饱和土质边坡的灾害预警提供指导作用.     

考虑气相作用的降雨入渗对非饱和土坡稳定性的影响

为了精细分析降雨入渗对非饱和土坡稳定性的影响,在考虑气相对降雨入渗过程的影响基础上,利用水-气二相流模型模拟入渗水流驱替土壤空气的水-气二相流过程,计算降雨入渗下土坡的孔隙水压力、孔隙气压力、基质吸力和含水量的变化;并建立了同时考虑由有效黏聚力、净法向应力,还有基质吸力引起的强度对边坡稳定的影响的非饱和土坡稳定分析模型．通过算例分析得出：无论是否考虑基质吸力的作用,由于降雨入渗改变了土体的净法向应力和土的容重,使得非饱和土坡的安全系数降低,而后的蒸发作用会使土坡的安全系数有所增大;在相同的渗流条件下,基质吸力的作用使同一滑动面上的安全系数增大．     

热-流-固耦合非饱和渗流的物理描述和数学模型

研究了热-流-固耦合非饱和渗流的物理和数学模型.其中非饱和渗流部分考虑到水的蒸发-凝结这种相变过程,这是气液两相渗流.液相中含有溶解的空气,气相中含有空气和水蒸气,蒸汽在空气中作扩散运动.基于线化的湿-热弹性理论,建立了热-流-固耦合的本构方程、水和气体的渗流微分方程,以及能量方程.该完整的方程组可很容易推广到热-流-固耦合油-气-水多相渗流情形.     

持续强降雨引发水位耦合变化条件下堤防渗流及稳定性分析

针对江、河、湖泊土质堤防工程在持续强降雨下会导致堤前水位显著变化而可能引发堤防安全隐患,采用水-气二相非饱和渗流模型对堤防进行降雨入渗和堤前水位变化耦合条件下的饱和-非饱和渗流分析。分别开展降雨入渗、堤前水位上升及持续强降雨耦合堤前水位上升过程的非稳定渗流有限元仿真分析。在此基础上对堤坡进行抗滑稳定分析,同时考察堤前水位变化及降雨过程中气相和基质吸力对堤坡稳定性的影响。计算结果表明:与单纯的降雨和水位上升相比,降雨耦合堤前水位上升会使堤身渗流及堤坡抗滑稳定性呈现较复杂的变化特性;考虑气相和基质吸力在一定程度上对堤坡稳定分析结果有利。     

水-气二相流本构模型参数的反演识别

在地下水多相流问题的模拟研究中,需要确定各相流体的本构模型参数.为此,首先通过非稳定水-气二相流试验获取砂土中水-气二相流动过程的试验数据,然后建立考虑水相、气相流动及相互溶混的水-气二相流数学模型,采用Marquart-Levenberg最优化算法建立水-气二相流本构关系模型参数反演模型,结合非稳定水-气二相流的试验数据,对水-气二相流本构关系模型（VG和VGM）参数进行了反演识别,得到了与试验中土样相关的水-气二相流本构关系模型参数的最优估计值.将所得到的水-气二相流本构关系模型参数的最优估计值代入到水-气二相流数值模拟模型中,对该非稳定水-气二相流试验过程进行模拟,将对应的模拟值与试验过程的观测值进行对比分析,二者吻合较好,证明了最优参数估计值的准确性和参数反演识别模型的有效性.该研究成果可以为确定多相流系统中与各相流体（包括水相、气相和非水相流体（NAPL））有关的本构关系提供帮助和技术支持.     

多孔介质中水气二相流动力学行为分析

基于多相渗流力学理论,探讨了多孔介质(孔隙介质、孔隙-裂隙介质)中水、气二相渗流的微观机理,系统地建立了水、气二相渗流的数学模型,并采用有限元法对数学模型进行了离散化,推导出三维有限元(FEM)数值模型;利用二相流系统渗流数值模拟程序2PFCSM,对一天然气储气层进行了数值模拟.     

水-气二相流模型分析水位下降情况的坝坡稳定性

水库水位变化会显著改变坝坡的稳定状态,通过建立水-气二相流模型,模拟库水位下降情况下坝体的饱和-非饱和渗流,为了考虑相态随时间和空间的改变,建立主要变量随相态变化的判断准则.利用模拟结果分析某均质土坝的稳定性,研究表明,库水位下降时,空气对渗流起到阻碍作用,坝体的负孔隙气压力增大,基质吸力对坝坡稳定所起的作用明显增大,在坝坡稳定分析中应当全面考虑空气阻力以及基质吸力的作用.     

考虑吸湿和脱湿影响的一维降雨入渗数值模拟

在分析非饱和渗流时,土水特征曲线(SWCC)起着至关重要的作用.吸湿和脱湿条件下的土水特征曲线存在显著的滞后现象,对降雨入渗土体中孔隙水压力的分布有明显影响.采用两种计算模型,运用吸湿和脱湿条件下的土水特征曲线,对一维降雨入渗土体非饱和-饱和-非饱和全过程进行数值模拟,对比分析了计算模型以及吸湿和脱湿,对降雨入渗过程中土体的孔隙水压力分布的影响.     

一种基于VG模型的非饱和土渗流参数反演方法

针对非饱和土渗流分析中土水特征曲线和渗透性函数难以获取的问题,本文提出一种基于van Genuchten（VG）模型的非饱和土渗流参数反演方法,非饱和渗流控制方程采用Richards方程,通过计算数值模拟值与实测各观测点不同时刻孔隙水压力或重量（体积）含水量之误差平方和,寻求最优VG模型参数组合使得误差平方和最小.编制了二维非饱和渗流参数反演程序（BAKSEEP）,并通过算例展示了该程序良好的适用性和稳定性.     

节理岩体双孔抽水渗流研究

为了研究工程中在节理岩体内双孔抽水的渗流问题,考虑不同状况条件对抽水效果的影响,通过应用UDEc建立双孔抽水离散元模型进行数值模拟,对比分析不同双孔排布、不同抽水速率对孔隙压力和流动状态变化的影响。表明抽水速率界定孔隙压力平均趋近速率:抽水孔间距影响流速;抽水孔间距和抽水速率的变化改变水漏斗半径:需要合理安排孔距。数值模拟结果与工程实际吻合,证实其可靠性。     

孔隙网络模拟渗流速度对页岩气开采的影响

孔隙网络模型是预测多孔介质流动特性的有效手段。基于页岩气藏微观孔喉参数建立了随机孔隙网络模型，并模拟了气水两相流动，通过求解模型压力矩阵方程，绘制渗流图像；通过模拟不同速度下的渗流特征，分析了水侵现象、渗流速度对气水两相渗流路径的影响。结果表明，渗流速度与驱替压差呈正相关，在渗流速度大于临界流速v_c的驱替过程中，压降梯度对渗流路径起主要影响作用，不同的渗流速度会形成不同的渗流路径，渗流路径符合分形特征；而由于较高渗流速度（大于临界流速v_c）会破坏气/水界面稳定性，因此，高渗流速度更利于水侵而降低页岩气产量；若渗流速度小于临界流速v_c，气/水界面趋于稳定，促使页岩气大量产出。     

低渗透砂岩渗流启动压力梯度

为了研究低渗透砂岩的启动压力梯度,设计了一种非稳态渗流中测量压力的试验方法。岩心中形成稳定渗流后,关闭驱替泵,测量岩心封闭端的压力衰减曲线。建立了考虑启动压力梯度影响的一维低渗透岩心中液体不稳定渗流的数学模型。用数值有限差分的方法进行求解。封闭端压力衰减曲线的试验结果和理论计算结果吻合较好,从而验证了试验方法和数值模型的可靠性。试验结果表明,启动压力梯度与岩心的气测渗透率之间并不存在负相关的关系;同一块岩心在初始稳定渗流速度大的情况下,岩心的启动压力梯度小。这与产生启动压力梯度的机理的边界层理论解释相符合。     

大小潮作用下沿海潜水水位波动的数值研究

沿海潜水层具有一个动态的向海边界,水位随海潮的波动而波动.浸润面的存在给向海边界条件的确定带来一定的困难,而以往研究(例如大小潮水位波动的摄动解法)往往忽略浸润面的影响.为此,在考虑浸润面影响的基础上建立了大小潮水位波动的数学模型.模拟结果表明:(a)潜水层周期平均水位高于静止水位;(b)大小潮向内陆传播时振幅衰减越来越明显,但传播距离远远大于半日潮的传播距离;(c)水位随时间变化具有不对称性,水位上升比下降快;(d)在水位下降阶段特别是大潮期间,地下水渗出点水位偏离潮汐水位,即会形成浸润面.     

持续暴雨作用下排土场层状碎石土边坡稳定性

为了研究排土场层状碎石土边坡在持续暴雨条件下的入渗过程及稳定性,推导了土体天然含水率、天然重度与天然体积含水量的换算公式,作为快速确定边坡土体初始基质吸力分布的依据。建立算例排土场有限元分析模型,进行降雨条件下饱和-非饱和渗流、孔压-应力耦合以及边坡稳定分析。结果表明：持续暴雨作用下排土场会在透水性最强的边坡浅层形成集中渗流通道,当坡底存在弱透水性土层时会切断渗流通道,导致雨水从坡脚涌出;排土场边坡位移在降雨期间不断增长,但增长速度越来越慢,雨后边坡位移立即开始减小;降雨初期边坡稳定性系数下降较快,边坡浅层渗流稳定后基本保持不变,雨后缓慢增大。排土场层状碎石土边坡在持续暴雨作用下容易在降雨中后期失稳。     

降雨入渗对裂隙性粘土边坡稳定性作用机理的分析

为进一步认识降雨入渗对裂隙性粘土边坡稳定性的作用机理,基于饱和-非饱和渗流理论,研究了降雨条件下不同裂隙深度、裂隙开口宽度、裂隙分布位置、降雨强度和降雨持时等对裂隙性粘土边坡渗流场的影响,并进行了相应的稳定性评价.研究结果表明:裂隙的存在改变坡体的入渗能力和入渗路径;裂隙开裂越深,饱和区域越大,边坡稳定性越低;裂隙开口宽度的大小对稳定性的影响不大;裂隙分布在坡顶时易发生浅层破坏,稳定性较低,降雨容易导致浅层破坏,且对裂隙分布坡底边坡稳定性影响大;降雨强度主要影响裂隙层达到饱和的快慢,对于边坡的长期稳定性的影响则可以忽略;裂隙粘土边坡稳定性随降雨持续时间的增加而减小,当裂隙层达到饱和后,其安全系数基本不变.     

温度作用下填埋垃圾气体运移规律的研究

温度对填埋气体在多孔介质中的储存和释放过程有着重要影响。基于多孔介质渗流力学-热力学理论，考虑气体密度随压力变化影响条件下，建立了垃圾填埋垃圾气体运移过程的耦合动力学数学模型。并采用特征线有限元方法对数学模型进行离散。该数值模型可为预测和预报污染物在土壤中的扩散状况以及污染气体的排放和收集、防止二次污染提供了可靠的理论依据。．     

应力状态和湿化路径对非饱和边坡的瞬态渗流状况的影响

借助双变量理论,提出了预报非饱和土中渗流和变形的简化模型,由此考察了依赖于应力状态的土的水分特征曲线（Stress Dependent Soil Water Characteristic Curve,SDSWCC）及其干湿滞回效应对非饱和边坡中的瞬态渗流的影响。