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。     

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。     

三维地下水流随机分析的配点法

本文提出了三维地下水不确定分析的随机配点法，比较了张量积配点法（Tensor Product Collocation Method, TPCM），Smolyak配点法 (Smolyak Collocation Method, SmCM)，Stroud-2配点法 (Stroud-2 Collocation Method, StCM)，以及概率配点法 (Probability Collocation Method, PCM)等四种配点法的基本原理；渗透系数场和水头场分别被表示为Karhunen-Loeve展开和多项式展开的形式；初始随机偏微分方程被转化为在相应配点上的确定性方程；建立了基于Modflow-2000的随机模型；讨论了不同算法的计算精度及计算成本。分析结果表明，配点法可充分继承现有模拟软件或代码的求解功能，配点的选取方法决定了其计算成本，SmCM具有最高的计算精度，但StCM具有最好的性价比。     

三维地下水流随机分析的配点法

提出三维地下水不确定分析的随机配点法,比较了张量积配点法(TPCM)、Smolyak配点法(SmCM)、Stroud-2配点法(StCM)和概率配点法(PCM)等4种配点法的基本原理。其渗透系数场和水头场分别被表示为Karhunen-Loeve展开和多项式展开的形式;初始随机偏微分方程被转化为在相应配点上的确定性方程。进一步建立了基于Modflow-2000的随机模型,讨论了以上不同算法的计算精度及计算成本。分析结果表明,配点法可充分继承现有模拟软件或代码的求解功能,配点的选取方法决定了其计算成本,SmCM具有最高的计算精度,但StCM具有最好的性价比。     

堤坝饱和与非饱和渗流计算的有限单元法

对饱和与非饱和渗流计算的有限单元法进行了推导，并建立了数学模型。通过计算，比较了一般的饱和渗流与饱和一非饱和渗流两种模型的计算结果，并引用模型试验资料进行验证。其结果表明，饱和非饱和渗流计算方法具有不进行自由面调整等优点，在物理概念上更为完善。     

堤坝饱和非饱和渗流计算的有限单元法

对饱和与非饱和渗流计算的有限单元法进行了推导，并建立了数学模型。通过计算，比较了一般的饱和渗流与饱和一非饱和渗流两种模型的计算结果，并引用模型试验资料进行验证，其结果表明，饱和非饱和渗流计算方法具有不进行自由面调整等优点，在物理概念上更为完善。     

土石围堰变饱和非稳定渗流数值模拟分析

根据二维饱和-非饱和水流运动方程和水分特征曲线VG模型,应用Geostudio岩土软件中的渗流分析软件SEEP/W对水利工程常见的土石围堰进行变饱和非稳定渗流分析。通过分析模拟结果,给出了不同施工阶段的渗流量以及围堰内压力水头分布及流网图,并且分析了布置混凝土防渗墙的效果。     

二维饱和与非饱和水分运动的理论及实验研究

入渗是浅层地下水的主要补给来源,入渗水体须经由非饱和带来补给地下水,因而研究饱和-非饱和水分运动问题对地下水资源评价,探讨地下水的补给过程以及解决灌溉、排水和田间水管理问题具有重要意义。近年来很多学者对此问题作了研究。本文给出了二维饱和-非饱和水流运动问题的有限元模型,并在室内进行了二维饱和-非饱和水流运动实验,通过实验结果与计算结果的比较,表明本模型精确可靠,计算速度     

复合土工膜缺陷渗漏试验的饱和－非饱和渗流有限元模拟研究

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，建立了该试验的三维有限元数值计算模型，对试验工况进行数值模拟。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不断发展的过程，并计算了稳定渗漏量。分析比较了数值模型计算成果与物理模型试验结果，两者变化规律一致。可见提出的数值模拟方法可以较好地模拟复合土工膜缺陷渗流场，计算缺陷渗漏量。     

考虑非饱和区影响的土石坝渗流有限元计算

传统的有限元饱和渗流计算往往把渗透系数取作定值,而实际上非饱和土渗透系数呈非线性函数关系,与体积含水率、孔隙水压力密切相关.基于饱和-非饱和土渗流计算模型与原理,本文考虑渗流场非饱和区对堤坝渗流的影响,对某土石坝进行了渗流有限元计算与分析.算例结果表明,应用该思想与方法计算土石坝渗流,可以获得较为准确合理的渗流场计算结果.     

STOCHASTIC ANALYSIS OF WATER FLOW IN HETEROGENEOUS MEDIA

A stochastic model for saturated-unsaturated flow is developed based on the combination of the KarhunenLoeve expansion of the input random soil properties with a perturbation method. The saturated hydraulic conductivity ks(x) is assumed to be log-normal random functions, expressed by f(x). f(x) is decomposed as infinite series in a set of orthogonal normal random variables by the Karhunen-Loeve (KL) expansion and the pressure head is expand as polynomial chaos with the same set of orthogonal random variables. With these expansions, the stochastic saturated-unsaturated flow equation and the corresponding initial and boundary conditions are represented by a series of deterministic partial differential equations which can be solved subsequently by a suitable numerical method. Some examples are given to show the reliability and efficiency of the proposed method.     

降雨入渗过程的水-气二相流模型研究

本文根据多孔介质中水、气的质量守恒定律，结合多相流理论，建立了求解饱和-非饱和渗流的水-气二相流数学模型，并采用积分形式的有限差分法和NewtonRaphson迭代方法进行数值求解，提出了各种边界条件，包括水相、气相和降雨入渗边界的数学处理方法。利用上述模型对土柱试验进行模拟，将计算结果与试验数据比较，验证了模型的正确性；然后对土质边坡降雨入渗过程进行计算，得到孔隙水压力、孔隙气压力和毛细压力的变化过程，其变化规律符合实际，实现了降雨入渗的水-气二相渗流过程，为定量研究空气阻力对入渗水流的影响提供有效途径。     

STOCHASTIC ANALYSIS OF GROUNDWATER FLOW SUBJECT TO RANDOM BOUNDARY CONDITIONS

A stochastic model was developed to simulate the flow in heterogeneous media subject to random boundary conditions. Approximate partial differential equations were derived based on the Karhunen-Loeve （KL） expansion and perturbation expansion. The effect of random boundary conditions on the two-dimensional flow was examined. It is shown that the proposed stochastic model is efficient to include the random boundary conditions. The random boundaries lead to the increase of head variance and velocity variance. The influence of the random boundary conditions on head uncertainty is exerted over the whole simulated region, while the randomness of the boundary conditions leads to the increase of the velocity variance in the vicinity of boundaries.     

MECHANISM FOR VISCOELASTIC POLYMER SOLUTION PERCOLATING THROUGH POROUS MEDIA

The pore throat of porous media is modeled as a constricted channel or expanded channel. The flow of viscoelastic polymer solution in pore throat model is studied by numerical method. Relationship between pressure drop and flow rate is developed,viscoelasticity and throat size are found to be two main factors in high flow resistance. According to pore throat model,2-D stochastic channel bundle is put forward to model porous media,which is composed of pore throat models in series -parallel connection with size and length accord to Haring -Greenkorn stochastic distribution. Percolation model of viscoelastic fluid is developed on the basis of Darcy equation and pressure drop vs. flow rate relation in 2-D stochastic channel bundle. Results indicate that the seepage ability of viscoelastic polymer solution decreases with the increase of viscoelasticity,injection rate,and heterogeneity as well as the decrease of mean pore size of porous media. The high pressure drop of viscoelastic fluid at the connection of pore to throat plays a great role in its anomalous high flow resistance through porous media.     

Stochastic simulation of fluid flow in porous media by the complex variable expression method

A stochastic simulation of fluid flow in porous media using a complex variable expression method (SFCM) is presented in this paper. Hydraulic conductivity is considered as a random variable and is then expressed in complex variable form, the real part of which is a deterministic value and the imaginary part is a variable value. The stochastic seepage flow is simulated with the SFCM and is compared with the results calculated with the Monte Carlo stochastic finite element method. In using the Monte Carlo method to simulate the stochastic seepage flow field, the hydraulic conductivity is assumed in three different probability distributions using random sampling method. The obtained seepage flow field is examined through skewness analysis, and the skewed distribution probability density function is given. The head mode value and the head comprehensive standard deviation are used to represent the statistics of calculation results obtained by the Monte Carlo method. The stochastic seepage flow field simulated by the SFCM is confirmed to be similar to that given by the Monte Carlo method from numerical aspects. The range of coefficient of variation of hydraulic conductivity in SFCM is larger than used previously in stochastic seepage flow field simulations, and the computation time is short. The results proved that the SFCM is a convenient calculating method for solving the complex problems.     

基于降雨空间变异的潜水运动随机模拟方法Ⅰ——非条件模拟

将降雨视为随机场，考虑降雨入渗补给量与地下水埋深的关系，采用二维稳定-非稳定潜水运动的KLPC模型，分析了降雨的空间变异性对水头均值、方差和协方差的影响，利用变异系数描述了水头、流速和水动力弥散系数的变异程度。结果表明，KLPC算法的随机模型具有优越的计算效率；水头方差随降雨场方差和相关长度的增大而增大；在降雨空间变异的条件下，水头随机场呈现出明显的非平稳特性且具有各向异性结构；在非稳定流中，水头协方差表现出“扩散”和“平移”的特性；水头的变异程度较小，在随机模拟中可以不考虑降雨空间变异对地下水流动的影响；但水头的变异导致了流速和水动力弥散系数强烈的变异性，在溶质运移的随机分析中需要予以充分重视。     

非均匀地质体内渗流场数值模拟分析

基于饱和-非饱和渗流理论,针对复杂层状地质体内不同渗透特性介质的空间分布情况,以克立格插值建立模型,并对水流在其内部的动态变化进行数值模拟,分析了地质体内压力水头的分布变化规律,进而得到水流在非均匀地质体内的渗透变化规律。数值模拟结果表明:均匀地质体内压力水头连续分布,非均匀介质体内的压力水头在不同渗透性介质的交界面处出现转折,渗流速度的方向也随着介质的不同分布发生改变。     

求解非均质多孔介质中随机水流问题的多尺度有限元降基方法

为高效求解地下非均质多孔介质中的随机水流问题,通过构造一组独立于随机参数取样的多尺度有限元降基函数和生成一个降阶多尺度模型,发展了一种多尺度有限元降基方法(RMsBM)。并应用矩阵离散的经验插值方法(MDEIM)仿射分解非仿射的随机参数问题的离散系统以加速降阶模型的在线计算。为评估所提出方法的性能与效率,对随机非均质多孔介质中的饱和水流问题执行了若干数值试验。数值结果表明:所提出的RMsBM通过选择合适的粗网格和最优数目的局部多尺度降基函数,可在维持良好计算精度的同时,显著提高在线计算效率。     

三维饱和-非饱和降雨入渗渗流场分析

用饱和-非饱和达西渗流理论对降雨入渗的复杂渗流场问题用有限单元法求解，在理论上进行了深入的研究。文中特别提出了降雨入渗边界条件及非饱和逸出面边界条件(包括降雨中间停雨时期边界条件)在渗流场求解中的正确处理方法，提出和定义了描述土体渗流特性的极限含水率和蒸逸系数的两个新概念。两个算例的数值试验也进一步表明，文中所用的降雨入渗渗流场分析方法结果合理，实用性强。     

暴雨入渗下裂隙岩体边坡渗流及稳定分析

根据单裂隙饱和-非饱和渗流实验结果，确立了裂隙岩体渗流时饱和度与负压及饱和-非饱和渗透系数与负压之间的实验关系式，进而建立了有暴雨入渗下三维裂隙网络饱和-非饱和渗流数学模型，针对龙滩水电站左岸蠕变体边坡进行了不同工况下的渗流与稳定性分析，并相应给出了其高边坡工程安全施工建议措施．