非饱和多孔介质水-热-力耦合数学模型研究

渗流场、温度场和应力场是岩土工程地质力学环境的重要组成部分,这三个场之间存在高度非线性的复杂耦合作用。本文将岩土体类多孔介质视为连续介质,综合运用水力学、热学、固体力学等基本理论,提出了多孔介质的热本构关系以及孔隙流体的热运动规律;根据动量守恒、质量守恒、能量守恒方程建立了以位移、孔隙水压力、孔隙气压力、温度和孔隙率为未知量的非饱和多孔介质多相、多场耦合数学模型方程组,在此基础上采用加权余量法和有限差分法对其分别进行空间和时域上的离散,并讨论了数值求解方法的稳定性,最终得到了非饱和多孔介质的多相、多场耦合的有限元求解模型,为进一步开展工程应用分析奠定了基础。     

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。     

不同边界条件对孔隙介质渗流-应力耦合的影响

以孔隙介质的流体力学和连续性介质弹性力学为理论基础,建立多孔连续性介质的渗流-应力耦合模型,根据4种不同的边界条件,采用Flex PDE有限元计算软件编程分别求解4种边界条件下渗流-应力耦合的数学模型。比较4种不同的计算结果,分析表明,不同的位移场或渗流场边界条件会对渗流-应力耦合效应产生较大的影响。     

岩体渗流应力耦合作用研究综述

系统阐述了岩体渗流应力耦合作用的研究现状与进展,探讨了渗流应力耦合模型的建立方法及解耦途径,论述了单裂隙面耦合特性的研究方法,对裂隙网络耦合理论中几个具有代表意义的渗流模型作了较详细的描述和比较。     

含水层温度-介质压缩耦合渗流分析

针对含水层渗流特点,利用回灌资料,推导计算了含水层在重力-温度-介质压缩情况下的计算公式并进行实例分析,计算结果表明:承压含水层在温度和介质压缩驱动时水头为非线性分布,且水头分布高于重力驱动;在温度和介质压缩影响下,冬季水头分布明显低于夏季,说明在耦合温度-介质压缩时,含水层水头随温度及含水层压密而升高;夏季和冬季回灌水温度的不同,导致水的动力粘滞系数和温度差增大或减小,从而增加或减少了含水层的渗透系数和温度梯度,进而改变了含水层水头与渗流速度的分布;在进行回灌时应考虑回灌水温度对含水层渗流的影响。     

关于多孔介质中渗流分析方法比较

在水利水电工程中,渗流计算是经常碰到的一个常规计算项目,应用范围非常广泛。相对于岩体渗流分析,属于多孔介质的土体渗流分析更加常见,针对这方面的研究也较多。本文详细阐述了目前常见的多孔介质渗流分析方法,并比较分析了其适用性和限制条件,同时针对具有自由面的无压渗流有限元处理方法,也进行了比较研究。     

大岩淌边坡降雨-应力-非饱和渗流研究

 针对大岩淌滑坡特殊的地理位置开展强降雨(或强雾雨)条件的入渗和地表漫流研究, 建立雨强与入渗、漫流之间的关系。然后,基于非饱和渗流理论,采用有限元方法来分析大岩淌滑坡在降雨期间的渗流、应力、位移与安全状态,并在稳定性计算中引进强度折减法计算滑坡的安全系数。     

非饱和土一维渗流与变形耦合问题的数值分析

基于多孔介质理论,研究了非饱和土中水－气－土骨架三相耦合的渗流与变形耦合问题。考虑土体孔隙中由液态水、水蒸气和干燥气体等填充,在固体土颗粒、水分、气体等各相质量平衡以及土体动量守恒的基础上建立了问题的控制方程。选取孔隙气压力、孔隙水压力和土颗粒位移以及它们的一阶导数作为状态变量,通过理论推导得到了一维非稳态情形下的状态方程组。结合Ｌａｐｌａｃｅ变换,采用打靶法求解该耦合的非线性变系数微分方程组,并且基于Ｈａｕｓｄｏｒｆｆ矩方法将频域上的数值解转化到时域上,与已有的试验结果相比较,验证了模型及数值方法的有效性。通过数值算例,参数分析了孔隙水压力、孔隙气压力以及土骨架位移等物理场之间的相互作用。     

基于改进FV-LBM的多孔介质渗流模拟

提出了一种新的基于Brimman -Forchheimer方程的多孔介质流动格子Boltzmann法的有限体积形式（FV-LBM）。在该方法中,多孔介质效应通过将外力引入格子Boltzmann方程中,并通过以单元为中心的有限体积法求解,同时将权重的校正因子引入进来以提高数值计算的稳定性。用该方法验证了完全多孔Poiseuille流和Couette流,数值计算结果与理论解吻合较好。而且还用该方法模拟了具有均匀和非均匀孔隙度的裂隙-孔隙模型,结果表明：当达西数增加时,多孔层中的速度增加;而当裂隙区域的速度峰值减小时,速度轮廓接近抛物线。研究成果为多孔介质渗流模拟提供了有效途径。     

非饱和土体渗流参数研究

土石坝渗流分析的重要任务之一为防止发生渗透破坏。以往的研究由于对非饱和土体渗流参数的理论研究不足,主要集中在对坝体饱和渗流的分析,不能真实反映土石坝渗流动态情况。采用土壤特性计算软件初步确定非饱和渗流参数。结合前人研究可靠的Fredlund数学模型和VG数学模型,运用1stOpt数据分析处理软件分别对土-水特征曲线及非饱和渗透系数曲线进行数据拟合及修正,结果表明:拟合相关系数满足精度要求,运用相应拟合结果进行非饱和土体渗流计算是合理可行的,其拟合结果可用于非饱和土的渗流计算。更多还原     

高水压越江隧道联接通道渗流应力耦合分析

为直观了解冻土帷幕在高水压下的力学特性,掌握隧道联接通道开挖过程中渗流与应力耦合作用对冻土帷幕稳定性的影响,保证开挖过程的安全,采用大型有限差分软件FLAC^3D, 对联接通道的开挖过程进行了数值模拟。从渗流应力耦合的数值分析角度,详细研究了冻土帷幕中位移场、应力场、渗流场的分布情况;得出了不同水位对冻土帷幕力学性能的影响;孔隙水压力使冻土帷幕的结构受力更加“均匀”;并指出了容易产生应力集中的位置为冻土帷幕的底部与中部,所以施工中应该值得注意。研究成果可为今后的联接通道数值模拟与人工冻结法施工提供参考。     

渗流场和应力场耦合应力变形数值分析

土坝的实际运行和理论研究均表明,当大坝建成蓄水后,上游库水位的抬高将使水体在坝体和坝基中产生从上游到下游的流动,形成渗流场,从而对土坝原有的应力场产生影响,且这种影响是相互的,其实质是渗流作用下渗流场与应力场的耦合作用。本文结合具体算例阐述坝体在耦合作用下的变形情况。     

充填砂应力——接触渗流耦合模型试验研究

通过模型实验测定不同应力状态下的多个管袋组合体综合等效渗透系数。研究表明:顺渗流方向管袋组合体渗透系数较大,垂直渗流方向管袋组合体渗透系数较为真实。分析了不同应力作用下垂直渗流方向管袋组合体,渗透系数与上覆压力基本成对数函数关系。顺渗流方向布置下管袋与管袋之间形成较大缝隙,缝隙从上游贯穿到下游,这种缝隙是连贯的,为了防止发生接触渗透冲刷破坏,应将管袋组合体与水流方向垂直布置。     

基于ABAQUS渗流与应力耦合的边坡稳定性分析

探讨了渗流场与应力场相互作用机理,提出了考虑渗流与应力直接耦合作用的边坡稳定分析方法。基于ABAQUS分析软件,采用强度折减法分析了不考虑渗流和考虑渗流耦合及非耦合情况下某边坡的稳定性,结果表明:水的渗流作用对边坡稳定有显著性影响,渗流与应力场耦合对边坡稳定性有显著影响。     

裂隙岩体边坡稳定性的渗流与应力耦合分析

用裂隙岩体渗流与应力耦合分析的四自由度全耦合法对岩质边坡进行耦合分析,通过强度折减有限元法求解岩体边坡的稳定安全系数。四自由度全耦合法建立了同时以渗流水压和位移为未知量的耦合方程组,使得渗流场与应力场的求解能够一次性完成,与两场交叉迭代分析方法相比达到了彻底的完全耦合。通过强度折减,整个系统达到不稳定状态,有限元计算将不收敛,此时的折减系数就是安全系数。算例表明由此求得的边坡稳定安全系数和滑动面都与传统方法十分接近。     

渗流与应力耦合作用下裂隙岩体稳定性分析

利用离散元软件UDEC分析了不同水位下裂隙岩体边坡内的渗流情况及岩体边坡稳定性。结果表明,水头越高,渗流对边坡的影响范围和影响程度越大,在15 m水头时,边坡产生较大变形且发生失稳破坏。借助对边坡关键点的变形历时曲线和渗流计算结果,研究了边坡在渗流情况下的破坏模式:边坡整体产生沿坡脚处所在结构面的剪切滑动,边坡后缘处所在的结构面产生拉裂破坏,坡面中部岩块有向临空面坍塌的趋势。     

锦屏二级水电站裂隙岩体渗流-应力耦合分析

如何准确地了解和预测隧洞周围裂隙岩体的渗流-应力耦合行为对锦屏二级水电站深埋高压引水隧洞的设计和施工有着重要意义.锦屏山裂隙岩体的渗透系数的空间非均质分布利用随机连续模型生成.通过顺序指示模拟方法生成的随机连续场随后被导入有限元程序进行两场耦合分析.计算结果表明,随机连续模型能够较好地预测锦屏二级水电站隧洞开挖过程中地下水的最大入渗率.渗透系数的空间变异性使得隧道开挖后围岩应力有明显的非连续性,对裂隙介质的耦合过程起着重要作用.同时,雨季降雨对隧道支护系统有着重要影响.补给水将引起外水压力短时升高,衬砌上的负荷增加,其弯矩增加了近22%.     

岩石节理非饱和渗流特性研究

根据岩石节理非饱和渗流试验所测定的节理排泄和吸湿过程，探讨了节理非饱和渗流机理，提出了基于节理概率分布的毛细压力与饱和度的解析模型以及节理非饱和水力传导度的理论表达式. 研究表明，单节理非饱和渗流特性与二维非均质多孔介质具有一定的相似性，本文提出的有关模型可作为确定岩石节理非饱和渗流参数的基本方法。