多孔介质中两相流动过程的毛细滞回效应

 含水量大小以及干湿循环变化历史对多孔介质渗流过程有着重要影响。基于多孔介质理论和毛细滞回内变量模型,建立能够考虑含水量变化历史影响的多孔介质两相流动模型,并利用开发的U-DYSAC2有限元程序进行相应的数值模拟。通过模拟结果与试验数据的比较,验证所建数值模型在模拟复杂条件下非饱和多孔介质渗流问题的可靠性与有效性。对干湿循环变化条件下土质边坡渗流过程进行数值分析,结果表明：毛细滞回效应对非饱和土渗流过程具有显著影响,非饱和土水力状态不仅取决于当前含水量或基质吸力大小,而且还与土体所经历的水力历史有关;特别地,如果利用主脱湿线来描述土水特征关系,那么土体中基质吸力的预测结果会偏高,从而使得传统边坡稳定性分析方法高估土体抗剪强度以及坡体安全系数。因此,在模拟非饱和多孔介质复杂渗流问题时必须要考虑毛细滞回效应。     

任意干湿路径下非饱和岩土介质的土水特征 关系模型

土水特征曲线(SWCC)代表着基质吸力与含水量关系不是一一对应的,在反复干湿循环路径下该曲线呈现出循环滞回特性.岩土介质在经历反复干湿循环之后,部分气体会以气泡的形式残留于孔隙中;这种残留的气体会对土水特征关系和流体的渗透系数产生重要影响.基于毛细循环滞回的内变量理论和传统的土水特征关系经验模型,提出了一个能模拟在任意干湿循环路径下土水特征关系的数学模型.特别地,该模型考虑了介质中的残余含气量对循环土水特征关系的影响.在循环滞回边界给定的情况下,该模型只包含一个材料参数;该材料参数可以由任意一条一阶扫描线(或其上的一个数据点)来确定.利用所提出的数学模型结合欧拉迭代计算方法,对已有文献中的粉土、烧结玻璃珠、石灰岩及白云岩等不同岩土介质在任意干湿循环路径下的SWCC试验曲线进行了模拟.通过将预测结果与现有试验数据进行对比,验证了该模型对描述复杂干湿循环路径下的土水特征关系的有效性.     

可压缩流体渗流的流固耦合问题数值模拟研究

可压缩流体在多孔介质中的流动过程是流体流动和固体变形相互耦合作用的结果,研究多孔介质中流固耦合渗流规律对于完善流固耦合理论以及工程应用有着重要意义.本文在考虑了流体的可压缩性和固体变形影响的前提下,基于流固耦合力学理论,建立了地下水渗流问题的流固耦合数学模型,采用了编制FSC-SP程序的对数学模型进行数值求解.通过数值计算,比较了考虑耦合效应与非耦合效应之间的存在较大差异,这对于实际工程中流固耦合问题的数值模拟有着重要的理论意义和指导意义.     

可压缩流体渗流的流固耦合问题数值模拟研究

可压缩流体在多孔介质中的流动过程是流体流动和固体变形相互耦合作用的结果,研究多孔介质中流固耦合渗流规律对于完善流固耦合理论以及工程应用有着重要意义。本文在考虑了流体的可压缩性和固体变形影响的前提下,基于流固耦合力学理论,建立了地下水渗流问题的流固耦合数学模型,采用了编制FSCSP程序的对数学模型进行数值求解。通过数值计算,比较了考虑耦合效应与非耦合效应之间的存在较大差异,这对于实际工程中流固耦合问题的数值模拟有着重要的理论意义和指导意义。     

多孔介质渗流行为的数值模拟研究

采用分形布朗运动模型对多孔介质进行定量描述,建立了层流条件下多孔介质内部渗流的理论模型并进行了数值模拟,分析了流体在多孔介质内部的流动特性。研究结果表明,多孔介质内部的孔隙结构对其渗流特性有着重要的影响。分形多孔介质内部的速度分布呈现非均匀现象,流线不再是常规通道内的直线,流线出现了扭曲。另外,多孔介质内部流动的雷诺数Re对其渗透率的影响存在一转折点。当Re1时,分形多孔介质的无量纲渗透率几乎保持不变,但随着雷诺数Re的增大,渗透率逐渐降低。此外,随着孔隙率的增大,分形多孔介质的渗透率单调增大。     

考虑接触角及粒径级配影响的土水特征曲线滞回模型

土水特征曲线描述了非饱和土中含水率(或饱和度)与基质吸力(或土水势)之间的关系.土水特征曲线存在滞回效应,即在相同的吸力下,土体在蒸发或重力排水的脱湿过程中赋存的水量比土体在入渗、毛细上升的增湿过程中所赋存的水量多.针对影响土水特征曲线滞回特性的两个关键因素——接触角及由颗粒粒径级配(孔隙分布)引起的墨水瓶效应,首先,...     

降雨条件下的基坑边坡渗流场模拟

在对多孔介质中的饱和-非饱和渗流数学模型简要分析的基础上,对影响渗流有限元计算分析结果的一些参数选取方法进行讨论,如非饱和土的水土特征曲线、水力传导系数及毛细水头等。利用相关程序对降雨条件下的基坑边坡内部渗流场进行模拟,分析地下水位线、坡体饱和度、压力水头及坡体内不同位置处的渗流速度随降雨时间的变化规律。模拟结果与实际情况比较吻合,可为基坑边坡稳定性的分析提供参考依据。     

非饱和岩石温度-渗流-应力耦合模型研究

以研究岩石孔隙比和含水量两个基本量为出发点,考虑温度对渗流黏滞系数和孔隙比的影响、温度梯度引起的流体流动以及流体流动引起的热对流的影响,应用修正的Darcy定律、Fourier定律等,推导出非饱和岩石在温度–渗流–应力耦合作用下的平衡方程、流体物质守恒方程、气体质量守恒方程和能量方程。并将建立的多场耦合力学模型应用于一泥岩竖井的开挖、支护过程,重点分析围岩和衬砌内温度场、渗流场的变化规律,以及泥岩竖井在开挖、支护和运行过程中饱和度的变化规律。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及高寒地区的隧道工程设计与施工具有重要的指导意义。     

温度梯度作用下非饱和盐渍土水盐迁移及变形特性研究

基于多孔介质理论以及连续介质力学原理,建立了温度梯度作用下非饱和盐渍土水-热-盐-力多场全耦合数学模型。该模型从固、液、气三相系统的质量、能量和动量三大守恒定律出发,考虑孔隙率演化、水体渗流、气体传输、盐分解吸-吸附效应、固体颗粒和孔隙流体可压缩性等因素的影响,更为准确地描述了非饱和盐渍土热质传输过程及其变形特性。此外,通过选取孔隙率、孔隙水压力、孔隙气压力、温度、含盐量和位移等基本未知量,并利用Comsol Multiphysics多物理场仿真软件对上述多场耦合过程进行了数值模拟。通过室内试验的实测结果对数学模型及模拟结果加以验证。结果表明,该模型可以较好地揭示非饱和盐渍土在温度梯度作用下的水、盐迁移机制和变形机制。同时,数值分析过程也进一步深化了对盐渍土水盐迁移及其变形特性的认识。对盐分吸附作用的研究也为进一步研究盐渍土的盐胀作用提供了理论准备。     

微裂缝对致密多孔介质中气体渗流的影响机制

采用考虑正则化过程的微尺度格子Boltzmann模型研究微裂缝对致密多孔介质中气体渗流的影响机制。首先采用漫反射滑移边界条件,并考虑正则化过程构建适用于高努森数下多孔介质中气体流动模拟的微尺度格子Boltzmann模型,基于该模型进行二维裂缝性致密多孔介质中的气体流动模拟,研究微裂缝对致密多孔介质中气体渗流的影响,并构建二维并联孔隙模型模拟揭示微裂缝对致密多孔介质气体渗流的影响机制。结果表明:微裂缝的存在能够明显提高致密多孔介质的渗透率,且连通性裂缝的影响更明显;随着压力的升高,微裂缝提高致密介质气体渗透率的作用增强,随着压力减小,基岩与裂缝中的气体流速差别减小,基岩对多孔介质渗透率的贡献增加,当压力极大或极小时,裂缝与基岩中平均流速比趋于定值,微裂缝的影响趋于稳定;微裂缝能够提高致密多孔介质渗透率的主要原因是在压降方向上微裂缝与基岩形成了并联高渗通道。     

非饱和带水–气二相流数值模拟研究

为了真实反映非饱和带中流体(水和气)的运移规律和渗透特性,将非饱和带中的孔隙水和孔隙气作为研究对象,基于水-气二相流理论,建立了水-气二相流数学模型。该模型采用积分形式的有限差分法对控制方程进行离散,在应用Newton-Raphson迭代方法得到相应的线性方程组的基础上,编制了三维计算程序SEEP2P。通过对土坝稳定渗流和降雨入渗情况的计算分析,得出稳定状态的渗流可以近似采用单相流模型来模拟,降雨入渗下的非稳定渗流问题采用水-气二相流模型来模拟更加符合实际。采用水-气二相流模型模拟得到水相、气相的流动状态,为定量研究孔隙气压力对入渗水流的影响提供了有效途径。     

How groundwater seepage and transport modelling software can be useful for studying gaseous transport in an unsaturated soil

The aim of this paper is to show how standard hydrogeologic software, usually used to model contaminant transport in groundwater under unsaturated conditions, can also be used to model gas transport in unsaturated porous media. Physical processes involved in the interaction between the atmosphere and the unsaturated soils are considered: transport by diffusion through the air and the groundwater, exchange between the liquid and gas phases and consumption. These physical processes are incorporated into the governing equations of a groundwater numerical code; by considering air, contained in the unsaturated soil, as water in the seepage numerical model, the air effectively becomes fluid within the numerical code. Then, the investigated gas is defined as the contaminant in the transport model, which is transported by -the air for the modeller-, and -water for the numerical code-. The over-riding assumption is that the air profiles and, therefore, water profiles of volume contents remain constant. The approach is illustrated using two examples, which consider the transport of oxygen. The first deals with oxygen distribution through a laboratory-cell diffusion containing reactive mining tailings. The second deals with the oxygen fluxes through the vadose zone, between the atmosphere and an unconfined aquifer's water table. Both examples consider different cases of oxygen consumption.     

岩石节理非饱和渗透特性初步研究

利用不溶混驱替的方法，在室内精确地观测了花岗岩节理非饱和渗透排泄和吸湿过程，探讨了节理非饱和渗透机理，提出了基于节理张开度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，单节理非饱和渗透特性与二维非均质多孔介质具有一定的相似性，文中提出的有关模型可作为确定岩石节理非饱和渗透参数的参考方法。     

Numerical Prediction of Seepage and Seismic Behavior of Unsaturated Fill Slope

This paper presents a case study on a numerical prediction of the seepage and seismic behaviors of an unsaturated fill slope. In this study, the numerical prediction is performed with a dynamic three-phase (soil, water and air) coupled analysis based on porous media theory and constitutive models. The weak forms of three governing equations, momentum balance equations of the overall three-phase material and mass and the momentum balance equations of the pore fluids (water and air), are implemented in a finite element model. The discretized equations are solved by the fully implicit method and the skeleton stress is also implicitly integrated. The in-situ observation at the target fill slope of the case study has been ongoing since 2006. First, distributions of water saturation in the fill slope are simulated by performing seepage analyses to reproduce the in-situ ground water level in the fill slope. Second, seismic responses of the fill slope during two past earthquakes are simulated, and the numerical method is validated by comparing observed acceleration records and numerical one. Finally, seismic responses of the fill slope during a future scenario earthquake are predicted under different moisture conditions of unsaturated fill. As a result, the following findings were obtained. 1) The shape of the ground water level was partially reproduced from the quite dry fill slope element by using virtual constant precipitation. However, the observation results of moisture distribution above the ground water level were not reproduced. 2) In the validation analyses after two earthquakes, the numerical method reproduced the positions of peak frequency of acceleration Fourier spectra. 3) The numerical results clearly showed that frequency characteristics of the seismic response and the residual displacement of the fill slope were affected by the initial distribution of the degree of saturation in the fill ground.     

预测压气法隧道施工中的漏气量的模型研究

在阐述压气法隧道施工原理的基础上,建立了水–气二相流模型来模拟压气法隧道施工过程中超压空气驱替隧道周围土体的孔隙水的水–气二相流过程。该模型同时考虑了土体中气相和水相的流动以及水相和气相相互作用的影响,比较符合水–气二相渗流过程的物理意义。通过工程算例,计算出不同施工进度下开挖面和隧道混凝土衬砌上的空气损失速率以及空气入流对隧道周围土体渗流场的影响,结果表明:在均质的地质条件下,开挖面上的漏气速率一般为常数,而衬砌上的漏气速率将随着隧道长度的增加而线性增大。最后,提出了利用水–气二相流模型进一步提高压气法隧道施工的漏气量的数值模拟精度,需要深入研究的两点意见。     

考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制

多孔介质的迂回曲折效应对浆液在其中的渗透扩散与注浆效果具有非常重要的影响。采用理论分析,研究考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体渗流运动方程,推导考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制;基于计算机编程技术,依托COMSOL Multiphysics平台与达西定律,二次开发得到考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制的三维数值模拟程序,并以此开展不同水灰比幂律型水泥浆液在砾石土体中渗透注浆过程的数值模拟;通过对比分析,研究理论分析、模型试验与数值模拟结果验证该理论机制。研究结果表明:采用考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制得到的扩散半径理论计算值、数值模拟值较不考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆扩散机制公式得到的扩散半径理论计算值、数值模拟值更接近注浆模型试验值,因此可较好地说明考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制较不考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆扩散机制公式更能反映幂律流体在多孔介质中的渗透注浆扩散规律。该研究成果可为多孔介质地层的实践注浆工程设计及施工提供一定的理论指导与技术参考。     

含湿多孔介质应用于建筑墙体的制冷性能分析

在建立多孔介质墙体热湿平衡的基础上,采用描述非饱和多孔介质热质迁移的数学模型,分析了多孔介质墙体方位及结构、多孔介质层的材料及孔隙率对床层制冷特性的影响,为多孔介质蒸发制冷墙体的推广和应用提供理论依据.     

大型贮灰场的三维饱和–非饱和瞬变流数值模拟及非饱和参数试验

基于Narasimhan T N的理论,研究了大型复杂工程问题的三维饱和–非饱和瞬变流数值模型,编制了相应的计算机程序。成功地对占地1.1km×1.0km×72m的大型不规则域--上冶峪干贮灰场进行了历时87 d的饱和–非饱和瞬变流数值模拟,演绎了场内粉煤灰体的含水率、饱和度和孔隙水压力在洪水、降雨、排渗和蒸发等作用下,随时间变化的规律和过程。同时,还进行了特殊工程材料--粉煤灰的水分特征曲线和非饱和渗透系数K(h)的试验。     

非饱和黄土路基水分场的数值分析

考虑含水率和密度影响,给出了非饱和黄土路基水分场的计算模型,探讨和确定了模型参数。指出非饱和黄土水体积变化系数m2w并非恒值,不仅随含水率的变化而变化,还明显受到干密度的影响。在含水率相同时,密度变化引起的m2w值的变化在高含水率时比较大,在低含水率时比较小。密度对非饱和黄土渗透系数kw亦有显著影响。进一步考虑参数kw、m2w和水头之间的非线性关系,探讨了时间步长的取值问题。然后,应用编制的有限元程序,模拟不利降雨条件,对黄土路堤入渗过程进行了计算分析。揭示出黄土路基湿软区随时间的增大过程,湿软区域大小受到土体密实度的显著影响,密度较小路基湿软区域大小明显大于密实度较大的路基。比较大的湿软区域易导致路基路面病害。增加路基土体密实度,对防止雨水入渗危害也是有利的。