坡体充气过程中气水两相流数值模拟

依据多相渗流和非饱和土理论,提出在潜在滑坡区后缘进行充气形成非饱和区,截排斜坡后缘来水向潜在滑坡区入渗,以降低潜在滑坡区的地下水位,提高边坡稳定性。采用长边坡二维有限元数值模拟方法,研究充气过程中坡体非饱和区气–水两相流运动特征和地下水位变化规律,为充气截排水技术运用于实际工程提供理论指导。通过分析充气点下游边坡地下水位的变化规律,论证充气截排水方法具有可行性;基于充气过程中非饱和区的扩展过程分析,将充气截排水分为3个阶段,即充气点附近非饱和区形成与扩展阶段、充气形成的非饱和区局部越过地下水位线的不稳定两相流阶段和充气形成的非饱和区基本稳定的截排水工作阶段;发现了充气过程中非饱和区孔隙气压力、孔隙气流速度、孔隙水渗流速度和体积含水量会随时间发生波动性变化,且四者的变化具有良好的相关性,当孔隙气压力随时间增大时,孔隙气体流速也随时间增大,孔隙水渗流速度和体积含水量则随时间减小,反之亦然,此规律的形成主要是气-水的流动性差异和相互驱动作用的结果。     

充气截排水位置及压力选择数值模拟

充气截排水技术是利用气排水理论通过向坡体后缘部位钻探成孔,注入高压气体驱替部分地下水,形成非饱和区域,降低土体的渗透性,大大减少边坡后缘向边坡前缘的入渗量,降低潜在滑坡体内地下水位线,达到提高坡体稳定性的目的。对多孔介质中多相渗流问题的研究是很复杂的,数值模拟作为一种重要的研究手段也是常常利用的研究方法。利用岩土工程软件Geo-Studio对充气截排水技术的相关因素进行了数值模拟,研究了在坡体后缘中充气点位置的选择以及充气压力选择的问题。模拟结果表明:利用充气截排水技术提高坡体稳定性的做法是可行的;当充气点位置靠近潜在滑坡区时,充气截排水能得到更好的效果;充气压力越大,坡体稳定性系数提高越大。     

充气截排水影响因素数值模拟

充气截排水通过向坡体后缘注入高压气体驱替部分地下水,形成非饱和区域,降低土体的渗透性,大大减少边坡后缘向边坡前缘的入渗量,降低潜在滑坡体内地下水位。土体中多孔介质的多相渗流问题很复杂,模拟技术往往是一种重要的研究方法。本次利用岩土工程软件Geo-Studio对影响充气截排水的部分因素进行了模拟,研究了充气点上覆土层厚度以及渗透性大小对截排水效果的影响。结果表明:模拟结果显示,充气截排水确实能起到截排后缘来水,降低坡体地下水位线的作用;充气点上覆土层在一定厚度范围内,厚度越大,其效果越好。超过该厚度范围,则截排水效果反而变差;充气点上覆土层渗透性对截排水效果有重要影响,且渗透性越小,截排水效果越好。     

降低滑坡地下水位的充气截排水法最佳充气压力研究

 充气截排水技术拟在潜在滑坡后缘或长边坡坡体上进行充气,在后缘来水路径上形成非饱和区,截断后缘汇水或减少后缘水流向坡体内的入渗,从而降低坡体内的地下水位,提高边坡的稳定性。为了探讨充气气压对充气截排水效果的影响,通过二维数值模型对不同气压下坡体水位变化进行分析,并通过物理模型试验对数值模拟结果进行验证,得出如下结论：在坡体中充气能显著降低坡体地下水位,截流减渗效果明显;对于特定坡体,存在与之对应的截排水起始充气压力和最佳充气压力;只有当充气压力大于截排水起始充气压力时,充气截排水才有效果,坡体前缘水位才会下降;当充气压力介于起始充气压力和最佳充气压力之间时,随着气压的增大,坡体前缘水位不断降低,充气截排水效果随气压增大而增大;当充气压力大于最佳充气压力时,充气截排水效果随气压增大而减小。     

滑坡应急治理充气截水方法

大多数滑坡的降雨入渗汇水区在滑坡后缘山坡,后缘的地下水入渗才是导致滑体地下水上升的关键因素。通过气驱水理论分析,并依据土体具有随饱和度降低导水性迅速降低的特性,提出利用充气驱水法在入渗路径上形成含有压气体的非饱和区截水帷幕的构想,并通过数值模拟分析和物理模型试验,得出充气截水减渗效果明显的结论。     

考虑地表变流量的非饱和土渗流耦合的解析分析

基于含水率和渗透系数是孔隙水压力的指数函数假设,通过 Fourier 积分变换,获取了降雨入渗过程中一维非饱和土渗流–变形耦合的解析解,该解能考虑地表降雨强度的变化。当降雨强度小于土体的入渗能力时,地表边界受流量控制;降雨强度逐渐增加,超过土体的入渗能力,地表边界为孔隙水压力。该解不仅能考虑地表变流量的边界,还可以分析压力边界条件,另外适用于任意的初始条件。算例计算结果表明,耦合对渗流产生影响;当渗流达到稳定时,非饱和土变形–渗流的耦合效应消失。     

考虑注浆圈作用的体外排水隧道渗流场解析研究

体外排水方式在隧道工程中已得到逐步应用,但考虑注浆作用的体外排水隧道渗流场解析理论未见报道,导致理论滞后于工程实践。基于镜像法与渗流力学理论,提出了考虑注浆圈作用的体外排水隧道渗流场理论模型,通过解析退化、数值仿真两种方法共同验证了理论模型及解析公式的正确性,探讨了注浆圈渗透系数与厚度对涌水量、隧道外水压力的影响规律。分析结果表明：注浆圈渗透系数对体外排水隧道渗流场存在显著影响,随注浆渗透系数比值增大,涌水量可得到明显控制,但会引起外水压力的增长;注浆圈厚度影响相对较小,其影响主要在于厚度值越大时能一定程度上加强对底部结构外水压力的控制。提出了兼顾隧道限排要求与隧底水压力控制效果的合理注浆圈参数。研究成果以期为体外排水隧道注浆参数设计及施工实践提供参考。     

灰岩单裂隙非饱和渗流–应力耦合特性试验研究

为研究不同应力条件下岩体裂隙非饱和渗流特性及其影响因素,基于自主研发的岩体裂隙非饱和渗流试验系统,对4组灰岩裂隙试样开展变饱和度和不同围压条件下的渗透试验。试验结果表明：(1)随着围压的增加,裂隙进气值增大,非饱和渗透系数–毛细压力关系曲线下降斜率及幅度均减小,在相同毛细压力下,高围压对应的裂隙非饱和渗透系数要高于低围压的情况;(2)通过对比毛细压力、围压这2个因素对非饱和渗透系数的影响发现,随着毛细压力的增加,围压对非饱和渗透系数的影响降低;同样,随着围压的增加,毛细压力对非饱和渗透系数的影响降低;(3)随着粗糙度的增大,裂隙饱和渗透系数降低,残余饱和度有小幅增长;(4)基于不同围压和毛细压力下的裂隙非饱和渗流试验数据,对裂隙非饱和渗透系数与毛细压力和围压的关系式进行拟合,从拟合曲面与试验实测数据的对比来看,拟合关系式可以较为准确地描述试验测得的裂隙非饱和渗透系数随毛细压力和围压的变化。本文对变应力条件下裂隙非饱和渗流过程及规律的研究成果可为降雨入渗条件下的工程岩体稳定分析提供依据。     

粘土岩饱和–非饱和渗流应力耦合模型及数值模拟研究

岩体中饱和–非饱和渗流、应力耦合行为对工程岩体的强度和稳定性有十分重要的影响。基于粘土岩实验室非饱和渗流试验的结果,将考虑塑性应变硬化的非饱和渗流、应力耦合模型、Hoek-Brown非饱和渗流、应力耦合模型应用于模拟某粘土岩竖井,研究其在开挖、通风、衬砌支护及长期运营期围岩内渗流从初始饱和→非饱和→近饱和的过程,以及竖井的非饱和流动区域大小对水力学参数(Biot固结系数、饱和度与毛细孔隙压力、水相的相对渗透系数与饱和度)的敏感性。结果表明:水力学参数对非饱和渗流的影响区域非常显著,尤其是水相的相对渗透系数与饱和度的关系。力学模型的差异对非饱和区的影响几乎可以忽略不计。     

考虑注浆圈作用的体外排水隧道渗流场解析研究

体外排水方式在隧道工程中已得到逐步应用,但考虑注浆作用的体外排水隧道渗流场解析理论未见报道,导致理论滞后于工程实践。基于镜像法与渗流力学理论,提出了考虑注浆圈作用的体外排水隧道渗流场理论模型,通过解析退化、数值仿真两种方法共同验证了理论模型及解析公式的正确性,探讨了注浆圈渗透系数与厚度对涌水量、隧道外水压力的影响规律。分析结果表明:注浆圈渗透系数对体外排水隧道渗流场存在显著影响,随注浆渗透系数比值增大,涌水量可得到明显控制,但会引起外水压力的增长;注浆圈厚度影响相对较小,其影响主要在于厚度值越大时能一定程度上加强对底部结构外水压力的控制。提出了兼顾隧道限排要求与隧底水压力控制效果的合理注浆圈参数。研究成果以期为体外排水隧道注浆参数设计及施工实践提供参考。     

垃圾填埋体中非饱和–饱和渗流分析

结合苏州七子山垃圾填埋场的工程项目，通过室内试验量测垃圾饱和渗透系数和土–水特征曲线，推导其渗透性函数，考虑存在中间覆盖层和截洪沟失效的情况，通过对垃圾填埋体中非饱和–饱和渗流分析，研究填埋单元内的水分运移规律以及中间覆盖层上局部滞水的形成规律。计算结果表明：填埋体中非饱和区域的基质吸力大多保持在3～6 kPa，对应的垃圾体积含水量为35%～40%，与实测含水量一致，说明推导出的渗透性函数可用于垃圾的非饱和–饱和渗流分析；中间覆盖层的存在可以大大降低雨水入渗量，但当截洪沟失效时，中间覆盖层是造成局部滞水的重要原因，计算得到的水位与现场测试结果相吻合。     

非饱和黏土的一维电渗排水解析理论

采用饱和土的电渗固结理论通常会高估非饱和状态下土体的电渗排水能力。基于流体质量守恒原理、Darcy定律以及电渗流方程,采用指数函数描述土水特征曲线及水力渗透系数与电渗透系数和吸力间的关系,建立非饱和黏土的一维电渗排水控制方程,推导孔隙水压力、体积含水率及排水量的解析方法,并开展试验验证。在此基础上,分析饱和电渗透系数与水力渗透系数比值(k_e/k_s)、减饱和系数(α)以及残余体积含水率(θ_r)对非饱和黏土电渗排水特性的影响。结果表明,电渗排水量随着饱和电渗透系数与水力渗透系数的比值以及减饱和系数的增大而增大,且均呈非线性关系;土体持水性对非饱和土体的电渗排水性状影响显著。所提出的解析解可为非饱和黏土的电渗排水设计及效果评价提供参考。     

考虑变形效应的非饱和土相对渗透系数模型

 相对渗透系数是土体非饱和渗流分析的重要参数,Mualem统计模型在土体相对渗透系数预测中得到广泛应用。然而,Mualem统计模型假定土体具有刚性的孔隙结构,因而无法反映变形对非饱和渗透系数的影响。笔者最近提出的变形土土水特征曲线模型为基础,建立考虑变形效应的非饱和土相对渗透系数的修正Mualem统计模型。修正模型引入某一饱和度条件下被水充满的平均孔隙半径这一参量,来反映有效饱和度及土体变形过程中孔隙形态变化对其非饱和渗透特性的影响。采用4种不同类型土体的非饱和渗透试验数据对修正模型进行验证。结果表明,修正模型给出的相对渗透系数预测值与实测值的均根误差相比Mualem统计模型减小27%,说明修正模型对于变形条件下土体的相对渗透系数具有更强的预测能力。研究成果为非饱和土渗流规律以及水–力耦合数值模拟等研究提供了更为可靠的理论模型。     

非饱和土中氯离子扩散规律的试验研究

土中污染物迁移涉及对流和扩散,低流速情况下扩散起主导作用,当前对非饱和土中渗流的研究较为成熟,但对非饱和土中污染物扩散规律的认识还不够深入,其中饱和度控制是非饱和扩散系数测试的技术瓶颈。自制非饱和对流-扩散试验装置,控制入渗过程中土的含水率恒定,以氯离子为示踪剂进行对流–扩散土柱试验,通过切片法测得氯离子浓度剖面,使用非饱和对流–扩散解析解拟合得到氯离子水动力弥散系数,进而求得非饱和有效扩散系数,通过不同含水率下的试验得出有效扩散系数随含水率的变化规律;依据3层土渗流模型计算得到非饱和渗透系数随含水率的变化规律。试验结果表明,试验过程中渗透吸力对含水率的影响可以忽略,本文试验装置含水率控制精确可靠,测得0～100 kPa基质吸力下土中氯离子的有效扩散系数在1.59×10~(-6)～5.22×10~(-6) cm~2/s之间,氯离子的非饱和有效扩散系数随无量纲含水率的减小而线性减小;溶质迁移的弥散度随含水率减小而增大;对数的非饱和渗透系数随含水率线性减小。     

考虑潜蚀影响的降雨入渗边坡稳定性分析

在降雨入渗作用下土坡内细颗粒会随渗流发生运移产生潜蚀作用。通过联立颗粒运移方程与非饱和土渗流方程,结合非饱和土水力特性方程和土体潜蚀本构关系,建立了渗流潜蚀耦合的边坡稳定性分析模型。采用有限元方法模拟了降雨入渗作用下潜蚀和入渗的相互作用,分析了初始饱和渗透系数、进气值参数对入渗和边坡稳定性的影响。结果表明：潜蚀主要发生在湿润锋范围内浅层土体,潜蚀加速了湿润锋下行速度,进一步降低边坡稳定性;饱和渗透系数、进气值是影响渗流潜蚀作用的主要因素;当降雨入渗强度大于饱和渗透系数时,饱和渗透系数越大,潜蚀对入渗和边坡稳定性的影响越显著;进气值越小,潜蚀作用对入渗和边坡稳定性的影响越显著。     

粘土岩非饱和渗流模型在地下水运移过程中的数值模拟

根据实验室粘土岩非饱和渗流实验的结果,将考虑塑性应变硬化、Hoek-Brown和Mohr-Coulomb 3种非饱和渗流应力耦合模型应用于模拟某粘土岩竖井,研究了粘土岩在开挖、通风、衬砌支护及长期运营期,围岩内渗流从初始饱和→非饱和→近饱和的过程以及地应力和水力学参数(Biot系数、饱和度与毛细孔隙水压力关系、水相的相对渗透系数与饱和度关系)对围岩内的非饱和流动区域大小的影响.计算结果表明,水力学参数对非饱和渗流的影响区域非常显著,尤其是对水相的相对渗透系数与饱和度的关系的影响.     

电渗–真空联合作用下富水黄土的排水固结特性分析

以富水黄土隧道开挖前围岩的快速排水为目的,提出电渗联合真空的方法,并对其排水固结过程进行了理论分析和试验研究。基于多孔介质理论和非饱和土力学原理,建立非饱和土体在电渗–真空作用下电场–孔压场–位移场相互耦合的数学模型,利用有限单元法数值分析土体在电渗–真空作用下的排水固结规律,并结合室内模型试验进一步验证该方法在富水黄土快速排水中的应用效果。研究结果表明：电渗–真空联合作用可以有效的提高土体的排水效率,但当初始渗透率较大时,联合排水后期会出现“孔压反转”现象,这种现象会导致联合排水后期排水效率低下,揭示联合排水后期增大电压并不能有效提高排水效率的机制;电极间距主要对电渗–真空联合排水后期孔隙水压力的变化有较大影响,且阳极电势一定时,孔隙水压力不随电极间距成单调变化。     

确定非饱和土渗透特性的一种新方法

用水–气运动联合测试仪对一定湿密状态下的黄土做了大量的试验,结果表明,一定含水量、不同干密度的土样浸水后,渗气系数随时间的变化趋势具有相似的规律,即具有在起初浸水后的短时间内减小,然后逐渐增大,最后趋于稳定的过程。另外,土的渗水和渗气系数随干密度的增大而降低,且干密度越大,降低的幅度也越大。在高饱和度时增湿路径对非饱和土的渗透系数影响不大,而在低饱和度时增湿路径对渗透系数影响较显著。     

超低渗透储层饱和/非饱和渗流启动压力梯度试验研究

 针对国内外超低渗透储层饱和/非饱和渗流启动压力梯度研究的差异,利用美国岩心公司AFS300TM全自动岩心驱替系统,采用非稳态法研究岩心上、下游端压力变化,分析鄂尔多斯盆地三叠系露头全直径超低渗砂岩岩石饱和/非饱和渗流的启动压力梯度特征。试验结果表明：超低渗透储层标准盐水、煤油饱和渗流不存在启动压力梯度;非饱和渗流流体间界面产生的毛管压力是导致两相渗流启动压力梯度的根本原因,并且发现驱替过程中的毛管压力存在动态变化过程。     

基于TOUGH2和FLAC3D的水-气二相流-固耦合模型

要实现饱和-非饱和土体的水-气二相流-固耦合作用的数值模拟,关键是如何实现渗流场与应力场的耦合,目前,松弛耦合方法不仅精度能够满足一般的工程要求,而且求解方法易于实现,是多相流-固耦合问题研究的主要方向。本研究根据松弛耦合原理,利用TOUGH2/EOS3来模拟水-气二相渗流过程;利用FLAC3D来模拟土体变形;基于水-气二相渗流过程与力学过程的相互影响,给出饱和度-密度、孔隙水压力和气压力-有效应力、体积应变-孔隙率、孔隙率-固有渗透率,以及孔隙率-毛细压力等状态变量之间的耦合关系式;利用C++控制TOUGH2、FLAC3D在流固耦合过程中的有序运行并利用耦合关系式传递相关状态变量,以实现对水-气二相流-固耦合作用的模拟。利用该模型对一现场压气试验进行模拟,通过模型计算值与实测值的对比,验证了模型的准确性和有效性。