流固耦合对深覆盖层内防渗墙应力变形的影响

深厚覆盖层为多孔岩土介质,应力场与渗流场相互作用,存在流固耦合效应.基于比奥固结理论,建立了渗流场与应力场耦合的数学模型;计算分析了某闸坝工程深厚覆盖层基础内防渗墙的应力变形.研究结果表明,考虑流固耦合效应的防渗墙应力变形比不考虑流固耦合效应的要小.     

热-流-固耦合渗流的数学模型及其应用

热-流-固耦合问题涉及许多领域,诸如石油热力开发领域中的渗流问题,孔隙介质中的渗流场、温度场以及岩石变形场之间就存在着复杂的耦合作用。该文首先建立了热-流-固多场完全耦合渗流数学模型,研究了全耦合偏微分方程组的求解方法,然后采用有限体积法和有限元方法相结合的数值模拟方法对耦合数学模型进行了求解,通过砂土固结算例验证了耦合模型及求解方法的正确性,最后作为应用实例,利用所建立的热-流-固耦合渗流数值计算模型对油页岩原位加热开发的渗流过程进行了数值分析。     

考虑参数动态变化和相互关联的浆液扩散范围研究

土体注浆加固与防渗施工引起的浆液扩散过程,涉及固体骨架应力应变、浆液的渗流场分布以及浆液浓度垂直于扩散方向的分布梯度等问题。基于多孔介质渗流场和应力场的耦合作用,考虑注浆浆液参数的粘时变特性,以及注浆过程中多孔介质的密度、孔隙率、渗透率等物性参数的动态变化,分析注浆过程中的土体物性参数相互关联性和动态变化过程,给出了浆液时变和多孔介质参数动态变化的渗流场与应力场耦合的注浆扩散的模拟实现过程。采用有限单元法对均质土体进行流固耦合作用下注浆扩散范围的数值模拟,得到了黏度时变和黏度不变条件下的球形扩散半径和柱面扩散半径范围。与经典注浆扩散理论对比分析可知,考虑浆液时变特性、土性参数的动态变化和相互关联的流固耦合作用模拟可以很好地分析土体中浆液扩散范围。     

饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型

将基于多孔介质的有效应力原理引入流固耦合渗流中，并根据平衡条件得出了应力场方程；充分分析流固耦合渗流的物理特性，建立起孔隙度和渗透率动态模型；依据流体力学连续性方程，考虑流固耦合情形下多孔介质骨架变形特性和流体的可压缩性，得到了孔隙流体的连续性方程，即渗流场方程。在以上诸方程的基础上辅助以定解条件，建立起了完备的饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型。本文还对模型进行了简化分析，并与经典一维固结理论作定性对比，分析表明，经典的固结理论可认为是本文模型的一种简化。进一步的算例求解和验证工作正在进行中。     

变形多孔介质流固耦合非线性渗流模型及解析

渗流的流固耦合问题在理论上与实践中都十分重要。考虑可变形多孔介质的渗透系数和孔隙率的变化依赖于压强变化,由渗透系数与渗透率的关系,结合非线性渗流流体质量守恒方程和连续性方程等基本微分方程建立了一维流固耦合非线性渗流问题的数学模型,推导了可变形介质非稳定渗流场微分方程。利用分离变量法推导出孔隙水压随时间和空间的变化关系的解析解,分析了渗流方程中的控制参数对渗流的非线性程度的影响。通过引入物理参数的方法处理渗流随时间的变化,并阐明了非线性渗流机理,最后定性分析了影响流体渗流压强分布的因素。     

基于非饱和流固耦合理论的某尾矿坝渗流与稳定性分析

基于非饱和流固耦合理论,针对某尾矿坝,建立了流固耦合渗流有限元模型,通过对尾矿库的浸润线位置以及应力场分布规律的分析,验证了流固耦合数值模拟的有效性。并在此基础上,采用流固耦合—Morgenstern-Price法,获得了不同干滩面长时尾矿坝的稳定性安全系数,并将其与采用极限平衡法、流固耦合—强度折减法获得的计算结果进行了对比分析。结果表明:采用流固耦合—MorgensternPrice法研究尾矿坝的稳定性是有效和可靠的。更多还原     

裂隙岩体的流固耦合研究现状与应用展望

裂隙岩体渗流研究主要是考虑流体在岩石裂隙中运动规律,尤其是流体渗流和岩体应力之间的相互耦合作用机理。随着工程应用发展的需要,裂隙岩体的流固耦合研究已成为国内外研究的热点问题。通过对国内外相关文献的分析和整理,从裂隙岩体流固耦合的试验研究、理论模型和数值模拟方法等三个方面的进行了论述,并对其工程应用前景进行了展望。     

管线渗漏引发地面塌陷的DEM-CFD耦合数值模拟

基于流固双向耦合原理,在离散元软件PFC3D基础上使用DEM(离散元)与CFD(计算流体动力学)耦合模块,考虑流体高速渗流时的流体压力梯度力对流固耦合过程的影响,建立了土颗粒与流体双向耦合作用下的细观数值模拟力学模型,针对渗流发生和发展过程中土体力学性能和水力性质进行了研究,从而定性地揭示了地表塌陷过程的演化规律与灾变机理。结果表明,流体高速渗流时,流体压力梯度力数值大于拖曳力,且土颗粒半径越大,流体压力梯度力越大;地表塌陷过程中土体塌陷模式呈圆锥形变化。     

基于Ansys-CFX的混流式水轮机转轮双向流固耦合数值模拟方法

结合某电站水轮机主要尺寸及运行参数,使用UG软件建立了精确的水轮机蜗壳、叶轮、尾水管三维模型,将模型导入到ansys workbench中,借助ansys cfx分析工具实现了全流道水轮机转轮双向流固耦合的数值模拟,为水轮机流固耦合问题提供了一种更为合理和精确的数值模拟方法。     

基于单/双向流固耦合的水翼水力阻尼数值预测方法研究

为评估水力机械外部瞬态载荷作用下的动力响应幅值,必须考虑流固耦合产生的水力阻尼效应。如何准确预测水下结构水力阻尼参数是设计阶段评价水力机械运行稳定性的难点问题。借助分离式单/双向流固耦合数值模拟方法,针对工程中常用的NACA0009翼型,开展了水翼在5~20 m/s流速下的振动特性和水力阻尼比数值预测方法研究。分析结果表明：第1阶弯曲模态振型在静水中与20 m/s流速下相一致,且低阶模态水翼固有频率随流速变化在3.95%以内,据此,单向流固耦合中将静水中振型及固有频率作为动水水翼的初始条件的假设是可行的。基于单向流固耦合方法所预测的水力阻尼比与实验值的平均相对偏差为11.42%。双向流固耦合则不需要该假设,能更加准确地预测低阶模态固有频率、水翼尾部脱落涡频率和水力阻尼比,相对实验值的平均偏差分别为4.36%、4.24%和4.95%。单/双向流固耦合数值方法都能预测水力阻尼比随流速线性增加的规律。本文算例中,相同计算资源条件下双向流固耦合所需计算时间是单向计算的15倍。在实际工程应用中,推荐优先采用单向流固耦合方法。     

考虑渗流影响的基坑变形规律与稳定性研究

以湖南常德沅江隧道明挖基坑工程为依托,基于流固耦合数值模拟方法研究土体渗透系数对基坑变形与稳定性的影响规律。结果表明:基坑在考虑渗流作用的数值计算结果与实际的监测变形值基本吻合,随着强渗透地层渗透系数的增大,基坑变形呈增大趋势,基坑底板安全系数呈十分明显的下降趋势,且渗透系数的改变对基坑底板隆起的影响较大,对墙后地表沉降和地连墙水平位移的影响较小;进一步对比分析了考虑与不考虑渗流作用的基坑底板安全系数变化规律,在此基础上建立了考虑渗流作用的安全系数经验公式。     

试样边壁及内部缺陷对土体渗透系数测量的影响分析

土体的渗透系数是评价土体渗透固结性能的重要指标。在心墙坝中,准确测定心墙料的渗透系数对评价心墙的固结变形和拱效应具有非常重要的意义。测量渗透系数的方法包括渗透试验和固结试验。由于试样边壁和内部缺陷的影响,这两种方法的测量结果均可能与实际土体的渗透系数存在一定偏差。本文通过对概念模型的理论分析和推导计算,研究了试样边壁和内部缺陷对渗透试验和固结试验测量渗透系数结果的影响。分析结果表明,试样边壁和内部缺陷均对渗透试验的结果有显著影响,而对固结试验的结果则影响较小。在选择渗透系数的测量方法时,应根据具体情况。在分析心墙坝的渗漏量时,宜通过渗透试验测定心墙料渗透系数,但需要对试样边壁进行处理,尽可能消除边壁效应的影响;在分析心墙的应力变形时,则宜通过固结试验测定心墙料的固结系数或渗透系数,以免高估了心墙的固结性能。     

对荷载作用下一维渗流规律的新认识

按照Biot建立三维固结方程的基本思路,考虑到介质的渗透系数不是常量,而是孔隙率的函数,建立起多孔介质流固耦合渗流的基本方程对一维稳定渗流时的数学模型进行理论解答,探讨分析了耦合作用下多孔介质内流体压力的分布规律;对耦合作用下流体在多孔介质内的渗流规律提出了一点新的认识。     

化学淤堵作用下尾矿砂孔隙分布及渗透特性试验研究

对石板沟尾矿库调研采样,分析尾矿砂表面化学元素并确定钙离子为造成该库化学淤堵的主要元素。添加氯化钙溶液改变尾矿砂中的钙离子含量,采用渗流试验装置及核磁系统观测不同溶液浓度和水力梯度作用下尾矿砂孔隙分布、孔隙率和渗透系数的时序变化规律,分析其影响因素。结果表明:核磁共振系统能准确地获得尾矿砂在不同条件下的孔隙率和孔隙分布;溶液浓度越大、作用时间越长淤堵作用越明显,并且孔隙尺寸、孔隙率和渗透系数值越小;高水力梯度引起的渗透破坏将减缓淤堵过程;不同浓度作用下渗透系数与作用时间呈明显的负指数关系,建立的渗透系数预测经验模型能为尾矿库的渗控分析和安全运行提供参考。     

ABAQUS渗流应力耦合分析中渗透荷载施加问题探讨

渗流应力耦合问题是目前数值分析的热点之一,渗流对应力的影响主要体现在渗透荷载上,然而不同学者应用ABAQUS进行渗流应力耦合分析建模时,在水荷载边界条件施加方面出现2种个问题:定义了孔压边界后,是否还有必要施加静水压力;考虑了坝基的渗流作用,是否还需要在坝底面定义扬压力荷载。通过竖向应力平衡和孔隙静水压力平衡理论及算例对这2个问题进行分析,结果表明:在应用ABAQUS进行渗流应力耦合分析时应同时考虑静水压力和孔压边界;当不考虑坝体渗透性时,应施加扬压力,而考虑坝体渗透性时,则无需再单独施加扬压力。分析成果可为研究ABAQUS进行混凝土重力坝渗流应力耦合分析时渗流荷载和水边界条件的施加问题提供参考。     

碎石土渗透特性试验研究

碎石土渗透系数是渗流分析及边（滑）坡稳定性评价等问题的关键参数。由于碎石土具有非均质性、非连续性以及影响因素多等独特性质,研究碎石土渗透特性的困难较大。利用大型渗透仪,试验研究了碎石含量、孔隙比和颗粒级配对碎石土渗透系数的影响规律,分析了渗流前后颗粒级配变化及其对渗流特性的影响,以及碎石含量、孔隙比大小对渗流前后颗粒级配变化的影响。结果表明:碎石含量与渗透系数之间关系符合指数关系;孔隙比与渗透系数之间的关系符合多项式拟合关系;特征粒径、不均匀系数和曲率系数与渗透系数之间的关系符合线性拟合关系,颗粒级配对渗透特性的影响主要是不均匀系数和特征粒径,曲率系数影响较小;渗流前后颗粒级配的变化与水力梯度有关。     

饱和土的变渗透系数固结理论及其合理性验证

饱和土体的固结过程伴随着土骨架的压缩和孔隙水的排出,其孔隙比及渗透系数随固结过程不断减小,但当前的Biot和Terzaghi固结理论均没有考虑固结过程中孔隙比及渗透系数的变化。这种处理方法对于压实土地基的固结过程来说,计算结果与实际相差甚微,但对于孔隙比很大的欠固结软黏土层、尾矿堆积层以及淤地坝库区的固结沉降来说,计算结果与实际过程的差异则会很大。首先建立土体固结过程中孔隙比与体应变的关系式,再利用渗透系数与孔隙比的关系式建立了渗透系数与体应变的关系式,最后利用弹性力学的几何方程得到渗透系数与单元位移的关系式。将这一关系式代入Biot固结理论,即得到变渗透系数固结理论,并在COMSOL中实现了求解计算。理论分析和数值计算表明：变渗透系数固结理论能够反应固结过程中因孔隙比减小造成的孔压消散缓慢、沉降速率降低的客观现象;土体初始孔隙比越大,体应变越大时,修正的渗透系数对固结过程的影响越大;渗透系数的减小只影响固结过程,不影响固结计算的最终结果。     

小湾电站坝址区渗流与应力场耦合分析

本文研究了小湾电站坝址区岩体渗流场与应力场的耦合相互作用，并结合右坝肩Ｆ１１断层的特性，探讨了裂隙内具有不同填充物情况下，裂隙表面分形对裂隙渗流和应力的影响，通过数值分析，得到了场耦合情况下的渗流分布及断层Ｆ１１在不同应力水平下的分维数－渗流量、不同分维数下的应力－裂隙开度、应力－流量关系曲线。     

基于流固耦合的坝基中弱透水层对渗流的影响分析

深厚覆盖层坝基中存在弱透水层时,弱透水层往往既是隔水层又是软弱夹层,是利用其作为渗流控制依托层,还是不考虑其防渗作用,关系到防渗工程的成本、进度等。流固耦合能较真实反映出弱透水层对坝基渗流场和应力场的影响,该文以比奥固结理论为基础,结合土体非线性流变理论,将土体本构关系推广到黏弹塑性,同时考虑土体力学参数及水力参数的动态变化关系,借助ADINA进行双场耦合求解,分析上江坝深厚覆盖层坝基中弱透水层对土石坝渗流场、应力场和自身应力应变的影响。研究表明:半封闭式防渗墙和弱透水层可形成坝基内部的联合防渗体系,能达到显著的渗流控制效果,大坝渗流量、坝基出逸坡降和弱透水层自身应力应变均小于其允许值,能保证大坝的安全稳定运行。但同时防渗墙和弱透水层承受的应力应变会相对增加,需要采取合理的工程措施给予辅助。实例中防渗墙深度相比封闭式防渗墙减小近60 m,若方案能给与采用,可大大减少工程造价。因此,坝基内部若存在弱透水层应该给与足够的重视,科学论证后若能加以利用,能做到事半功倍。