黏土结合水起始剪切力对非达西渗流的影响

黏土结合水对黏土的流变、膨胀以及渗透等有显著影响,了解黏土结合水性质变化对黏土研究具有重要意义。基于黏土双电层理论,由黏土微电场推导黏土结合水抗剪强度与结合水到黏土颗粒距离的函数关系,并以此解释黏土非达西渗流的机理。结果表明:黏土结合水具有类似非牛顿液体性质,双电层中每一处结合水存在"起始剪切力",当水压力超过结合水的"起始剪切力"时,结合水将发生移动;黏土非达西渗流存在起始水力梯度,且起始水力梯度与结合水的"起始剪切力"呈线性关系;当黏土开始发生渗流时,结合水在孔隙中流速呈曲线分布,流量与水力梯度呈非线性关系,黏土渗流特征曲线出现下凹型非线性曲线。     

填埋场黏土衬垫中起始水力梯度对污染物运移影响

垃圾填埋场黏土衬垫对防止渗沥液的渗漏和运移起到至关重要的作用,其中有些黏土渗流呈现非达西渗流现象,存在起始水力梯度i_0,然而起始水力梯度对黏土衬垫防污性能的影响尚未明确。为此,开展了起始水力梯度对污染物运移的影响研究。首先,在不同围压作用下,采用去离子水对黏土进行渗透试验;然后,在围压σ=200 kPa的条件下,分别采用水力梯度为0,12.5,25.0和375.0对4个平行黏土试样进行Na~+溶液渗透,定期测定渗出液Na~+浓度,并最终分层测定试样中Na~+的含量。结果表明:随着固结压力的增大,起始水力梯度越大;当水力梯度分别0,12.5和25.0时,渗出口无渗透液产生,并且Na~+在黏土中的迁移规律基本相同,即分子扩散系数基本相等;当水力梯度为375.0时,水动力弥散系数远远大于分子扩散系数。因此,可以认为当水力梯度小于i_0时,渗沥液不渗透或渗透很小,污染物运移以分子扩散为主;当水力梯度大于i_0时,污染物运移逐渐转为以对流为主。     

低渗透介质中3种井的非线性渗流流量

给出考虑起始水力梯度的低渗透介质中分别存在垂直井、垂直裂缝井及分支水平井时的非线性渗流量公式,讨论了非线性渗流参数(起始水力梯度)、供给边界、垂直裂缝井的裂缝半长、分支水平井井筒数等因素对流量的影响。结果表明:在其他条件相同时,非线性渗流使得垂直井、垂直裂缝井及分支水平井流量降低;供给边界距离越大,垂直井、垂直裂缝井及分支水平井流量越小;垂直裂缝井的裂缝越长,流量越大;井筒数越多,分支水平井流量越大。     

桩周饱和黏土非齐次渗流固结解

针对桩周饱和黏土固结渗流问题,考虑固结开始时,场地附近的河流或水库水位影响,建立桩端平面水头边界;考虑基桩以承压含水砂砾石为持力层,或为加速固结排水设计砂井抽水降压等措施的影响,建立桩尖平面水力梯度边界。综合上述边界得到反映桩周饱和黏土超静孔隙水压力消散规律的定解方程,对定解方程进行齐次化运算并推导其解答。根据理论解答,得到超静孔隙水压力随边界条件、初始条件的变化,绘制等值线和流速矢量图,直观比较分析解答的合理性,并应用现有实测试桩承载力换算固结度,验证了解答的正确性。     

一维低渗透介质非达西渗流实验

该文选取黏质粉土、粉质重亚黏土、粉质重黏土1和粉质重黏土2四种细粒土样作为实验介质,开展一维土柱渗流实验,研究了低渗透介质中的渗流规律,并通过调节进出水端的水头差,同时观测出水流量,分析水力梯度和渗透流速之间的关系.实验结果表明:土样粒径的分布对渗流规律起决定性作用,即随着土样介质中黏粒含量的增大,渗流由达西流变为非达西流,且黏粒含量越高,非达西现象越明显,当渗透系数低于10-5 cm/s数量级时,该非达西流中水力梯度和渗透流速满足二次方程关系.此外,对比粉质重亚黏土和粉质重黏土,可以明显发现渗流存在着启动水力梯度,且启动水力梯度会随着黏粒含量的增大而增大.     

双层超固结软黏土地基一维非线性固结分析

本文通过引入固结土层孔隙比与固结压力和渗透系数之间的非线性经验模型，建立双层超固结饱和软黏土地基非线性固结控制方程，并基于半解析法，编制了相应的计算程序。利用该程序，针对不同排水条件、变荷载、自重应力沿深度实际分布等条件分析双层超固结饱和软黏土地基一维非线性固结性状。计算结果表明，双层超固结软黏土地基比正常固结软黏土地基沉降小、固结发展快。荷载的大小、上下土层先期固结压力、土体压缩性和渗透性的变化等对双层地基的固结性状均有明显影响。     

两种不同粒径石英砂中非达西流动的实验研究

在水力梯度较大的多孔介质中,水流往往呈现非达西现象.为分析不同粒径介质中非达西流发生的条件,本文对粒径为0.5~0.63mm和0.63~1.25mm两种石英砂,分别开展了一维均质土柱渗流实验,并应用水力阻抗和临界雷诺数判别渗流过程的非达西现象.研究结果表明,随着渗透流速增大,水力梯度和渗透流速之间的线性关系将发生偏移,且Forchheimer方程和Izbash方程均能够很好地描述非达西渗流阶段的水流运动过程.此时,水力梯度中以黏性力和惯性力消耗能量为主导的渗透流速线性项和非线性项均逐渐增大,同时非线性项占水力梯度的相对比重随流速的增大而不断增大.两种石英砂出现非达西流时,其非线性项占水力梯度的40%~50%,相应的临界雷诺数分别为22~27和52~104.非达西流出现的临界雷诺数随介质粒径的增大而增大.     

单向渗透力引起的渗透固结机理试验研究

通过渗透破坏试验,对单向渗透力引起的渗透固结机理进行了分析,得到了临界水力坡降随固结度、干重度变化的关系式,指出:在相同固结度下,随着干重度的增大,临界水力坡降增大的幅度越来越大;在同一干重度下,临界水力坡降与固结度成线性关系。     

基于非达西流动的软土非线性固结计算

为了研究软土在非达西渗流作用下的非线性固结特性,基于孔隙水质量守恒原理,引入非达西渗流速度方程,建立了以超静孔压为变量同时考虑渗透系数变化的软土地基一维非线性固结方程,采用差分格式离散偏微分方程,获得了超孔隙水压力的数值解答,采用Python进行编程,计算考虑沉积作用的土体非线性固结沉降,并与已有文献结果做了对比,同时分析了非达西渗流参数n和启动压力梯度以及排水条件变化对地基土固结性状的影响。研究结果表明:非达西渗流参数n和启动压力梯度i_c越大,非线性固结完成所需时间就越长,但对固结最终沉降大小没有影响,两个参数对超孔隙水压力消散均有阻塞效应,固结过程对参数n的变化更为敏感。双向排水条件下土体平均固结度最终可达到100%,单向排水条件下土层平均固结度仅达到有限值,固结稳定后其地表沉降小于双向排水计算结果。     

存在高渗透区的黏土心墙土石坝渗流稳定性分析

黏土心墙土石坝是重要的挡水建筑物,心墙的低渗透性可以大幅降低坝体水力梯度,减少坝体发生渗透破坏的风险。然而心墙的质量问题（如局部高渗透区）会影响坝体的渗透稳定性,甚至酿成管涌溃坝等严重后果。以瀑布沟心墙土石坝为原型开展坝体渗流大型水槽模型试验,并结合有限元数值模拟方法研究高渗透区对坝体内部渗流场和渗流稳定性的影响。试验表明高渗透区域将改变心墙的渗流场,成为优势渗流通道,导致高渗透区域附近孔压值大幅上升,同时高渗透区域的存在将显著提升坝体渗漏速率。试验与模拟结果一致表明,随着高渗透区域逐步上移,高渗透区所在位置处的孔隙水压力增大,坝体渗漏量减小。高渗透区和心墙的渗透系数增加都会使心墙孔压值和渗漏量增加;随着高渗透区的渗透系数的增大,心墙坝渗流稳定性系数降低,导致坝体稳定性下降;随着心墙渗透系数的增大,高渗透区水力梯度略微减小,但心墙整体临界水力梯度下降,坝体稳定性降低。所得结论可为基于监测数据反演分析心墙的质量问题和评估坝体的安全性能提供依据。     

两种流态区域条件下的井流问题的解析解

文中针对在均质等厚、无限分布的承压含水层中，以定流量抽水时，抽水主孔附近含水层会存在非线性流区域的问题，根据水量平衡原理，分别建立了线性流区域和非线性流区域的水流运动方程，采用Boltzmann变换对其求解，得到了计算两个区域中任一点的渗流速度和水位降深的解析公式。     

变形介质油藏渗流规律和压力特征分析

本文基于渗透率随压力呈分段的指数变化规律，建立并求解了平面径向稳定渗流方程和非线性不稳定渗流方程。研究了不可压缩液体的稳定渗流规律和弱可压缩液体的不稳定渗流规律。推导出无限大油藏非线性不稳定渗流基本微分方程的解析线源解。建立了各种边界条件下考虑井筒储存效应和表皮效应的非线性不稳定渗流数学模型，并用数值法对其求解。绘制了相应的压力及其导数典型曲数，分析了渗透率变异系数对这些典型曲线形态的影响。     

Analysis of Runoff Aggregation Structures with Different Flow Direction Methods under the Framework of Power Law Distribution

The main purpose of this study is to evaluate the performances of different flow direction methods (FDM) in affecting the runoff aggregation structures within a watershed under the framework of power law distribution. To this end, SFD (single flow direction method), MFD (multiple flow direction method) and IFD (Infinite flow direction method) were applied for determination of flow direction for water particles in Susu river basin, and consequently assessed with respect to the variation of flow accumulation. The results indicate that different patterns of flow accumulation were observed from each flow direction method. Effect of flow dispersion on DEM is strongest with ascending order of SFD, IFD, MFD. However, contribution of individual pixels into outlet follows descending order of SFD, IFD, MFD. Notably MFD and IFD tend to make additional hydrologic abstraction from rainfall excess due to the flow dispersion within the flow paths generated on DEM. This study also investigated the size distribution of flow accumulation which is equivalent to the drainage area generated from the selected FDM. They were fitted to the power law distribution and flow accumulation was recognized as a scale invariance factor based on the parameter estimation for power law distribution by maximum likelihood. It was also noticed that FDM affects the parameter estimation of power distribution where highest exponent was estimated for MFD following by IFD and SFD.     

基于修正立方定律对单裂隙辐射流剪切耦合的研究

修正了辐射流立方定律,并研究了裂隙的力学性能和水力特性。进行了不同恒定法向压力和剪切速率下的高液压水头剪切渗流实验。发现峰值剪切强度随剪切速率的增加呈现先增大后减小的趋势。线性系数A和非线性系数B都随剪切位移先增大后减小,且减小后的稳定值小于剪切破坏前的值。但是系数B比系数A大5个数量级,变化幅度更大。临界雷诺数经剪切破坏后大于剪切破坏前的值,流态将变好。此外,剪切过程中的水力特性也表现出与力学性能相似的趋势。     

壁面处湍流状况测试研究

讨论并采用电化学方法，测试矩形管壁面处速度梯度及湍流强度，分析并实验探讨了离子迁移方向对测试电极动态响应的影响，将测试结果与同样条件下激光测速仪在近壁处温度结果进行了分析比较，与其他在圆管流动测试中得出的结论不同，测试结果表明，矩形管壁面外流体相对湍动强度随流量增大而减小，在高雷诺数下趋近常数。     

南海北部海域海底沙波演化特征

在对沙波的成因、形态以及运移机制充分探讨的基础上,给出了预测计算海底沙波形成与运移规律的理论模式。以此为基础建立了南海北部海域海底沙波波长及沙波移动的数学模型,对较大范围内的沙波形态及其运移规律进行了计算,成果表明计算区域海底沙波在正常水流条件下迁移速率相对较小,可视为比较稳定的地貌类型,为该海域海底工程实施提供参考。     

ANALYSES OF TURBULENT MODELS WITH EXTREMUM LAW OF ENERGY DISSIPATION RATE

By introducing the extremum law of energy dissipation rate into the investigationof turbulent flow,the closure problem for the basic equations is briefly discussed in connectionwith a newly suggested semi-empirical turbulent flow model.As a result,several unknownfunctions which cannot be solved by the existed semi-empirical models are obtained in the presentpaper.It is shown that the turbulent flow models,as the constraints to the extremum problem,have direct influence on the final results of the primary parameters.     

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。     

干湿交替下开裂混凝土中水分传输的细观数值分析

对于海洋浪溅区或潮汐区的混凝土结构,水分主要以气相和液相两种形式存在于混凝土内部孔隙结构中。基于混凝土毛细吸水的非饱和流体理论,建立了干湿交替下开裂混凝土中水分传输的一维非线性方程。考虑水分在干燥与湿润阶段传输的滞后性,分别建立了干燥和湿润两阶段单条裂缝处水分的传输速度模型。在细观层次上,将混凝土看作由粗骨料、砂浆、界面过渡区(ITZ)以及裂缝所构成的四相复合材料,利用含单条裂缝的二维格构网络模型,开展了干湿交替下开裂混凝土中水分传输的细观数值仿真分析。通过与已有文献中的试验数据对比,验证了所建立的干湿交替下开裂混凝土中水分传输模型的正确性。利用以上数值模型,进而分析了干湿循环机制(干湿循环时间比、循环次数)以及裂缝宽度对水分分布的影响规律。结果表明:对于给定裂缝宽度,干湿循环时间比和循环次数决定着裂缝处和垂直裂缝方向的水分含量分布;当裂缝宽度介于0.05~0.3 mm时,裂缝处和垂直裂缝方向的水分含量随着裂缝宽度的增大而减少。     

基于SPH的台阶式溢洪道最优消能率参数研究

为研究台阶式溢洪道的消能规律,明确台阶式溢洪道的最优消能率参数,利用DualSPHysics对台阶式溢洪道水流特征进行模拟,并通过与典型案例的对比分析验证了SPH方法对台阶式溢洪道水流模拟的适用性与准确性,模拟结果表明SPH方法可以较好地模拟台阶式溢洪道上的水流特征。通过建立不同单宽流量、台阶段坡度和台阶数目的共计288种工况对台阶式溢洪道消能规律及其影响因素进行了研究。结果表明：在其他条件一定的情况下,台阶式溢洪道的消能率与单宽流量呈负相关关系;台阶数目对台阶式溢洪道消能率的影响并不显著,但是存在一个台阶数目能使台阶式溢洪道的消能率达到最大值,该最优消能率对应的台阶数目在78~81阶范围内,此结论对指导实际工程应用有一定的参考价值。