基于Richards方程切换的土壤水流及溶质运移数值模拟

根据每个节点的土壤水分状态来选择合适的Richards方程形式,并用隐式迭代算法求解,得到一种用于模拟土壤水盐运移过程的通用方程切换方法。该方法能自由切换任意节点的控制方程,从而充分利用水头型和含水量型Richards方程的优势,适用于所有主流的迭代求解算法。成功将该方法应用于非均质土壤饱和-非饱和的溶质运移过程模拟。通过室内及数值试验,证明其在干燥砂土淋盐及干湿交替上边界的土壤积盐等普遍难题中,相比传统数值算法能大幅度提高计算效率和精度。本文方法对大区域饱和-非饱和水流运动及溶质运移数值模拟具有显著优势及应用前景。     

基于ANSYS模拟非稳定饱和-非饱和渗流场

堤坝非稳定渗流数值模拟中,浸润面、逸出点事先未知,需要迭代计算,渗透参数需根据计算结果不断调整,都增加了数值模拟的难度.选用Neuman饱和-非饱和渗流数学模型进行非稳定渗流场数值模拟,分析了数值模拟中逸出面一般求解方法存在的问题并加以改进,使用ANSYS开发出渗流数值模拟程序,经实例验证表明该法是实用有效的.     

饱和-非饱和土中渗流Richards方程有限元算法

发展了一种求解理查森方程的一般有限元算法。该方法采用积分法处理孔隙水压力对时间的导数项,采用集中质量技术处理有限元方程中质量矩阵来保证数值稳定。所采用的质量守恒迭代方法不须改变迭代方式,采用一般的Picard迭代方法。该方法能求解入渗、地下水位瞬变和排水等范围广泛的饱和-非饱和渗流问题。对3个已公开发表具有详细试验数据的算例的模拟表明,该方法对入渗锋、稳定渗流地下水位和非稳定渗流溢出面都模拟很好。Picard迭代方法效率很高,且无数值振荡发生。     

库水位下降对新集水库均质土坝渗流及稳定性影响分析

针对库水位下降对土石坝坝体滑坡的影响,以新集水库均质土坝为研究对象,基于非饱和土体渗流的基本理论,分析了不同速度库水位下降条件下,均质土坝非稳定渗流场的变化规律,计算了在渗流作用下坝坡的安全系数,分析了水库从35 m正常蓄水位以速度0.1 m/d、0.5 m/d、1 m/d、3 m/d、6m/d、10 m/d下降到5 m最低水位坝体内浸润线和坝坡稳定性,得到了坝体内浸润线及坝坡安全系数随水位下降速度的变化规律,以期为新集水库坝坡的渗流稳定分析及正常运行提供参考。更多还原     

非均质土体中渗流场的非平稳随机模拟

将渗透系数作为对数正态非平稳随机场,分解为确定性趋势和平稳性扰动两部分,采用基于随机场Karhunen Loeve展开和摄动分析的KLME随机数值方法,探讨参数场的连续型线性趋势和间断型趋势项对渗流场统计特征的影响。分析表明,水头均值和标准差的空间分布受到参数场趋势性变化的影响,随线性趋势的变化方向而呈不同分布,线性趋势的斜率增大,水头统计矩的二阶修正项的作用也增大,在参数场间断型趋势条件下,水头统计矩呈复杂的非规则空间分布。     

基于饱和度分布的渗流计算

该文以多孔介质的饱和度和渗流场总水头为变量建立了统一的饱和一非饱和渗流模型.该模型将渗流场概化为饱和区与非饱和区两部分,使得模型的非线性抛物型方程在这两个区域分别退化为Poisson方程和对流方程.用有限元方法联立迭代求解这两个方程可以求得渗流场的总水头分布与饱和度分布,从而求得渗流自由面.分别利用双介质土柱恒定渗流解析解和吉林二道江电厂储灰坝电模拟实验对该方法可靠性和有效性进行了验证,取得了很好的效果.     

基于降雨渗流条件下的土质边坡稳定性时间特征研究

在降雨渗流条件下,边坡的稳定性会受到很大的影响,安全系数通常是在降雨停止后的一段时间出现最低值,安全系数研究对于监测预警和防灾减灾具有重要的意义。为了探究这个问题,从工程地质条件的角度出发,把土质边坡的土体性质和形态特征作为重要的考虑因素,再基于饱和-非饱和渗流理论和采用修改的Mohr-Coulomb破坏准则来计算非饱和边坡的抗剪强度。研究结果表明:①多数情况下,渗流速度快的土体降雨停止后,达到稳定性最低点的时间要早一些,恢复到原来的稳定状态也要更快一些,所以也要充分把握岩土体的性质。②陡坎对于降雨渗流情况下土质边坡稳定性最低点时间滞后起着重要的作用,它主要是影响滑坡前缘渗流截面的宽度。③一般情况下,滑移面越深,降雨渗流情况下土质边坡稳定性最低点的时间滞后越明显,反之则越不明显。     

饱和-非饱和土中Richards方程的有限元算法

发展了求解理查森方程的一种一般的有限元算法。该方法采用积分法处理孔隙水压力对时间的导数项，采用集中质量技术处理有限元方程中质量矩阵来保证数值稳定。现存的绝大部分方法在时步内一般仅按照当前的孔隙水压力计算导水系数，而本算法明确地考虑了时步内导水系数随时间的变化。所采用的质量守恒迭代方法不须改变迭代方式，采用一般的Picard迭代方法。该方法能求解入渗、地下水位瞬变和排水等范围广泛的饱和－非饱和渗流问题。对3个已公开发表具有详细试验数据的算例的模拟表明，该方法对入渗锋、稳定渗流地下水位和非稳定渗流溢出面都模拟很好。Picard迭代方法效率很高，且无数值振荡发生。给出了方法的细节使其他人能容易的实现。     

降雨条件下边坡渗流及稳定有限元分析

简要分析了多孔介质饱和-非饱和渗流数学模型,探讨了非稳定时间插分格式、计算参数和降雨入渗边界处理等相关问题;基于非饱和土抗剪强度理论和延展的Mohr-Coulomb屈服准则,将有限元强度折减法推广到非饱和土边坡稳定分析中。以某边坡为例,模拟了降雨入渗引起的边坡体内暂态渗流场,并采用推广的有限元强度折减法进行了降雨条件下边坡的稳定性分析。     

三维饱和非饱和稳定非稳定渗流场的有限元模拟

建立了考虑降雨入渗补给条件的三维饱和非饱和非稳定渗流数学模型,采用有限元方法作为模拟手段,并用预处理共轭梯度法解方程组,编拟了计算程序US3D。通过简例和实际工程应用表明,程序通用性强,使用方便,模拟结果合理,并使得山地暴雨条件下的饱和非饱和渗流场的模拟得以实现。     

饱和-非饱和非稳定渗流数值分析中初始状态的研究

总结了饱和—非饱和非稳定渗流场分析中初始孔隙水压力确定的一般方法。讨论了通过给出实测的数据概化孔隙水压力分布和采用稳态渗流解确定初始孔隙水压力各自的适用范围及存在的问题,并进一步指出了确定饱和—非饱和非稳定渗流场初始状态的研究内容。     

求解非均质多孔介质中非饱和水流问题的一种自适应多尺度有限元方法——Ⅰ数值格式

为了有效地模拟跨越多个尺度的非均质多孔介质中的非饱和水流问题,本文提出一种自适应多尺度有限元方法。该方法能在一个粗尺度网格上精确而有效地获得具有非均质系数的非饱和水流方程的粗尺度解。其基本思路是使用修改的皮卡迭代格式来处理方程中的非线性性和构造一种自适应多尺度基函数来捕捉方程系数中的时空变异性。本文详细地描述了构造这一方法的原理并且给出了一种相应的算法。     

库水位降落下某均质土坝饱和-非饱和渗流数值分析

某均质土坝,坝顶高程为852.0m,坝顶宽度为10m,最大坝高为66.0m。上游坝坡坡比为1∶2.75和1∶3,下游坝坡坡比均为1∶2.7。正常工况下,上游正常蓄水位为848m,下游相应水位为798m。该大坝的横断面图见图1。坝体内设置水平褥垫排水。坝基岩体上部强风化带厚度为1.0～2.0m,强～弱风化岩体透水率q=10～35Lu的中等透水层厚度为10.0m左右,下部岩体岩体透水率q〈3Lu,可视为相对隔水层。     

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。     

非均质无限深透水坝基垂直防渗墙深度对渗流影响的初步研究

目前我国很大一部分土石坝都修建在非均质无限深透水地基上,通过对非均质无限深透水地基垂直防渗墙模型不同深度的选取,得出在非均质无限深地基土石坝的坝前水深不变的情况下,当悬挂式防渗墙的有效深度大约为6～10倍坝前水头时,坝基的渗流量明显减少的趋势变小,当悬挂式防渗墙的有效深度大约为18～20倍坝前水头时,坝基的渗流量基本趋于稳定。     

基于参数优化的非饱和尾矿砂渗流场解析解研究

为研究渗流稳定后非饱和尾矿砂含水率的空间分布规律,从而为更准确的尾矿坝安全评估提供基础性资料,首先从非饱和渗流的Richards方程出发,在对方程形式和求解区域简化之后,通过解析的方法得到了含水率空间分布公式,公式具有无穷级数的形式。然后通过自行设计的仪器进行了尾矿砂二维非饱和渗流试验,得到了含水率在水平和竖直方向上的分布规律。试验结果表明:在两个方向上含水率的分布都近似服从指数函数。最后在结合测量数据的基础上利用混沌粒子群优化算法(CPSO)编制程序算出求解方程过程中引入的常数,并利用所得模型计算了测量点处的含水率。通过对比发现含水率理论值与实测值较为相近。     

基于Matlab的均质坝体随机渗流场的模拟研究

应用Monte—Carlo随机有限元方法结合Matlab程序建立了随机场有限元模型,该模型能考虑坝体渗透系数在空间分布的变异性,并通过一个简单算例,计算了随机等势线、水力坡降等参数,该方法对土坝随机渗流场的模拟分析和工程应用具有一定的实用性。     

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。     

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。     

基于Lu 模型的浅部地温场与渗流场耦合研究

在浅埋地质体中开展温度示踪地下水运移或渗流热监测等技术研究时,浅部地温场是其背景温度场,热量运移过程涉及非饱和带。非饱和带的导热系数受含水量控制,为提高浅部地温场仿真模型的精度,采用Lu模型来表示导热系数与饱和度的定量关系,据此建立了考虑参数非均质性的饱和-非饱和渗流场与周期性地温场的耦合模型。通过修改COMSOL Multiphysics软件的相关模块,实现了双场耦合模型的有限元求解。数值算例的计算结果表明,非饱和带的水分分布及导热性能在垂向上是非线性变化的,地表附近岩土体的饱和度较低,其热导性能较差,地表的温度波动特征在向下传递过程中受到阻滞。与常用的热参数计算方法进行比较分析,认为常用的体积平均模型不能有效评价低含水量非饱和介质的热传递特性,计算时会引入一定的误差,而指数模型与Lu模型的计算结果较为接近。