基于水頭和飽和度分布的雙變量土壩滲流研究.pdf

1、滲流現(xiàn)象是多孔介質(zhì)中普遍客觀存在的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其對水工建筑物穩(wěn)定性、地下水資源利用、污染控制、石油天然氣開采等工程問題均具有重要的影響，隨著國內(nèi)外在上述領(lǐng)域中工程需求的增加，滲流研究日益成為熱點(diǎn)問題。 本文在飽和、非飽和滲流理論基礎(chǔ)上，結(jié)合非飽和滲透系數(shù)研究成果，對達(dá)西速度的表達(dá)式進(jìn)行變形，建立了飽和-非飽和滲流數(shù)值模型。該模型中以測壓管水頭和飽和度為變量對滲流場進(jìn)行描述。將滲流域分為飽和區(qū)與非飽和區(qū)，為避免研究復(fù)雜的多相流問題，

2、可以認(rèn)為非飽和區(qū)是與大氣相通的，則測壓管水頭中的壓力與大氣壓相等，使測壓管水頭等于位置水頭，從而滲流控制方程在兩個(gè)區(qū)域中分別退化為關(guān)于測壓管水頭的拉普拉斯方程和關(guān)于飽和度的對流方程。空間用伽遼金有限元方法，時(shí)間采用隱式差分方法對方程進(jìn)行離散。分別對飽和區(qū)的拉普拉斯方程采用預(yù)處理共軛梯度法(PCG)、非飽和區(qū)的對流方程采用Gauss-Seidel方法進(jìn)行耦合迭代求解，得到滲流場的測壓管水頭分布和飽和度分布，并引入VOF的概念，由飽和度的分

3、布自動(dòng)撲捉滲流自由面。 為測定非恒定水位邊界條件下的土壩滲流自由面和壩體內(nèi)測壓管水頭的變化，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了模型土壩的非恒定滲流實(shí)驗(yàn)。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，初步認(rèn)識了不透水地基上均質(zhì)土壩在非恒定邊界條件下的非穩(wěn)定滲流的物理力學(xué)特性。推導(dǎo)了雙介質(zhì)土柱表層水入滲的下滲鋒面解析表達(dá)式、穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)測壓管水頭分布與飽和度分布的解析表達(dá)式，并給出了有周期性邊界條件的有限潛水層內(nèi)滲流自由面的解析表達(dá)式。用本文提出的飽和-非飽和滲流模型分別對

4、幾個(gè)解析解問題以及滲流實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過所得結(jié)果與解析解和實(shí)驗(yàn)的對比，證明了模型的合理性、可靠性和準(zhǔn)確性。 將飽和-非飽和滲流模型用于幾個(gè)工程實(shí)例，其二維模擬結(jié)果同滲流電模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，證明本文的滲流模型完全能夠準(zhǔn)確計(jì)算壩內(nèi)的滲流浸潤線以及逸出面位置；三維數(shù)值模擬的結(jié)果在相近剖面處與二維結(jié)果作了比較，考慮三維網(wǎng)格剖分及剖面截取位置的差異，三維結(jié)果與二維結(jié)果吻合的較好，證明本文的飽和-非飽和滲流模型在三維計(jì)算中是可靠