土石坝饱和非饱和渗流的数值分析

土石坝渗流问题直接威胁着坝体的安全稳定,为给土石坝的设计及运行提供理论依据,在前人研究的基础上,以多孔介质的饱和度和渗流场总水头为变量,建立饱和非饱和渗流数学模型,用有限元方法求渗流场的总水头分布与饱和度分布,通过饱和度的分布来自动的捕捉渗透自由面。最后用均质土坝模型和大唐珲春电厂储灰坝算例对该方法的可靠性和有效性进行了验证。结果表明,水库水位升降后坝体的浸润线变化过程符合实际规律,数值计算和电模拟试验结果基本吻合。用饱和度的分布来自动捕捉渗透自由面和确定逸出边界,迭代收敛速度快,准确性高。     

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。     

三维复杂渗流场的并行求解

建立了基于水头和饱和度分布的双变量三维复杂渗流场饱和-非饱和计算模型,并通过分析数据执行时的相关性、算法固有的串行性及计算的耗时分布,在串行程序的基础上应用OpenMp并行编程接口实现了并行计算.分别对不同网格规模进行了并行数值模拟并测定了加速比,可以看出并行加速比与参与计算的处理器的个数呈线性分布,并且随着问题规模的增加而逐渐提高.同时也证明了数学模型的合理性.     

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。     

基于混合格式Richards方程的非均质土体渗流模拟

基于混合格式Richards方程的数值模拟能保证质量守恒,可模拟饱和-非饱和渗流。采用有限元模拟时,需知节点处的体积含水率,但由于体积含水率在材料分界面不连续,模拟非均质土体渗流时存在一定困难。为实现基于混合格式Richards方程的非均质土体饱和-非饱和渗流有限元模拟,将材料分界面的节点赋予两个编号,从而分界面上节点的体积含水率分别根据不同材料参数按压力水头泰勒展开;同时应用拉格朗日乘子法保证总水头在材料分界面的连续性。根据所建模型的有限元格式,编制了Matlab数值模拟程序,并用于模拟一维层状土入渗和脱湿过程及二维层状土入渗过程。所得结果与一维解析解、二维其他学者研究结果吻合较好,同时所建模型满足质量守恒。     

病险土石坝渗流预测

有限单元法是计算土体实际水力坡降的理想手段,该方法是将实际的渗流场离散为有限个节点相互联系的单元体,首先求得单元体节点处的水头,同时假定在每个单元体内的渗透水头呈线性变化,进而求得渗流场场中任一点处的水头和其他渗流要素,包括坝体各处的实际坡降。将计算的浸润线和实测相比较,验证了计算结果的可靠性。     

百色水电站地下厂房洞室群围岩渗流场分析

运用渗流场有限单元法求解的固定网格的结点虚流量法和排水孔排水子结构技术，并定义了溢流型排水孔、逸流型排水孔和排水孔开关器，在水力等效多孔隙介质渗流模型假定的基础上，能对工程复杂渗流场问题进行精细的求解。对广西百色水电站地下厂房洞室群围岩区的渗流场进行了多工况的三维计算，论证和分析了各洞室围岩区的渗流场特性，渗流场水头和引水隧洞衬砌外水压力分布的规律，以及防渗与排水设施渗控方案的合理性和还存在的缺点，并提出相应的改进意见。     

土壤水分特征曲线模型对数值模拟非饱和渗流的影响

土壤水分特征曲线直接影响非饱和渗流场压力水头和含水率的预测结果。Brooks-Corey模型和van Genuchten模型是目前运用最广泛的土壤水分特征曲线模型。本文给定三种不同质地土壤(粘土、砂土和砾石)的BC模型参数,根据Morel提出的BC模型与VG模型等价的参数关系计算出VG模型参数。采用上述两模型分别对这三种土壤进行了均质土柱的入渗过程模拟。两种模型的计算结果有一定差别。三种土壤土柱的VG模型湿润锋推进速度都比BC模型大。由于粘土的初始含水率接近饱和,BC模型和VG模型的渗流场差距最大。粘土土柱上表面压力水头的变化幅度BC模型小于VG模型,而含水率的变化幅度BC模型大于VG模型。砂土和砾石土柱上表面压力水头和含水率的变化幅度都为BC模型大于VG模型。砂土土柱BC模型和VG模型的渗流场差距随入渗时间的持续而加剧。     

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.     

边坡渗流与坡面径流联合求解三维有限元模型

强降雨特别是暴雨常常诱发边坡失稳。边坡渗流场的模拟是准确评价边坡稳定性的前提,然而强降雨条件下的渗流场与坡面径流相互影响,十分复杂。为准确模拟此时边坡水分的运移过程,建立边坡渗流与坡面径流联合求解三维有限元模型。模型采用Richards方程描述边坡饱和-非饱和渗流过程,采用运动波方程描述坡面径流过程;分别采用有限元和特征有限元建立渗流和径流控制方程的有限元格式;以边坡渗流场和坡面径流场之间的交换流量为联系(但不计算流量),将2组有限元方程相加而消去交换流量,从而构建边坡渗流与坡面径流联合求解模型;若坡面产流,则根据坡面径流场修正入渗边界流量。对简单边坡降雨入渗进行数值模拟,对比了该方法与Geo-Seep所得结果,表明当上段边坡渗透性相对下段边坡较小,且上段边坡产流而下段边坡未产流时,该方法所得的累积入渗量更加符合实际情况。