基于CT扫描的滨海土壤孔隙空间网络表征与渗流模拟

以江苏省沿海地区不同围垦区剖面土层原状土样为研究对象,基于CT扫描技术,通过构建孔隙网络模型,对土壤孔隙分布及其拓扑关系进行定量表征,统计分析了土壤孔喉参数,包括孔径分布、配位数、喉道半径及喉道长度;运用提取的孔隙网络实现土壤中单相水的渗流模拟,分析土壤的绝对渗透系数（饱和导水率）及其主要影响因素。结果表明,围垦活动对改良土壤孔隙活动起到积极作用,随围垦年限的增加,连通孔隙的半径范围、平均配位数、喉道半径趋于增大,喉道长度趋于减小;浅层土壤的孔隙结构较为良好。单相水模拟中,模拟计算的土壤绝对渗透系数和试验测定的饱和导水率结果吻合度较好,呈现出一致的变化规律。灰色关联度显示喉道半径对土壤渗透性能的影响最大。     

基于格子Boltzmann方法的饱和土体细观渗流场

根据土体的孔隙率,采用随机配置的方法建立了二维土体孔隙结构.基于格子Boltzmann方法(LBE方法),通过设置入口、出口边界为非平衡态外推格式、左右边界及土颗粒边界为标准反弹格式的边界条件,建立了模拟饱和土体渗流的二维模型.编制了相应Matlab计算程序,模拟了在一定孔隙率的土体中,当恒定流速入渗时,土体渗流场的分布情况并探讨了渗流流速的变化规律.研究结果表明:在渗流过程中,土体流速的分布情况在整个渗流区域内较为均匀,且在孔隙连通性好、孔隙较大的区域流速较快.土体孔隙率越大,土体的渗流速度越大,且在渗流场内绝大部分孔隙格点的流速小于入口处的流速.当孔隙率恒定时,入口流速越大,渗流场内孔隙格点上流速分布的离散性越大.因此,LBE方法可以有效地模拟土体的渗流情况,为进一步研究土体渗流机理提供了一种新的研究手段.     

某电站烟囱区的超静孔隙水压力监测分析

孔隙水压力是岩土工程施工中必须监测的项目之一。在考虑地下水位变动的基础上，修正了根据孔隙水压力读数确定超孔隙水压力的公式。结合某电站烟囱区的打桩实例，分析了PHC管桩沉桩过程中不同地层的超静孔隙水压力随时间的变化规律。分析指出了在沉桩过程中要注意沉桩速率和临桩的影响，以防出现超孔隙水压力的突变，从而引起周围土体及建筑物等产生较大的变位，甚至破坏。该分析为类似工程的设计和施工提供参考。     

某水电站坝址区水文地质条件与水动力场研究

裂隙岩体渗流作为一个重要的科学研究和工程应用问题,近几十年来得到了国内外学者广泛的关注和持续的研究。裂隙岩体研究的难点和热点是渗透系数的求取和渗流模型的选取。以某水电站工程为例,采用压水试验法确定了坝址区岩体的渗透系数,应用等效连续介质数值模拟方法对坝址区地下水渗流场进行了模拟计算。     

基于四参数随机生长法重构土体的渗流细观数值模拟

基于四参数随机生长法(QSGS),根据土体孔隙率,重构土体微观结构.通过格子Boltzmann方法,左右采用不透水边界,上下边界采用非平衡外推格式,颗粒之间的碰撞采用标准反弹格式,建立饱和土体渗流模型,并让恒定流速的水渗入模型.结合算例,推导了宏观物理单位与格子单位之间的转换关系,编制相关Matlab程序,并且进行运算分析,探讨在计算机模拟情况下的微观土体结构中水的渗流变化规律.结果表明:根据QSGS方法所重构的土体生成过程与自然环境下多孔介质的生成过程类似,重构土体性状各异,连通性和结构与实际土体类似;在连通性良好的前提下,土体中水的渗流速度与孔隙率大小有关;同一土体中渗流通道越小的位置水的渗流速度越小,渗流通道越大的位置渗流速度越大;在相同孔隙率条件下,大颗粒土的平均渗流速度比小颗粒土的平均渗流速度大,而小颗粒土的渗流更为稳定.     

基于格子Boltzmann方法饱和土体一维固结数值解

针对饱和土体的Terzagjhi一维固结问题,基于D1Q2离散速度模型,推导出各离散速度方向上的平衡态分布函数,同时采用BGK近似处理Boltzmann方程的碰撞项,建立了在时间、空间上离散的格子Boltzmann模型.然后采用Chapman-Enskog多尺度展开技术和Taylor公式级数展开方法,将微观的格子Boltzmann模型还原为宏观的一维固结微分方程.为便于分析,对饱和土体的一维固结方程进行了量纲一化处理,并建立了实际物理单位与格子单位之间的转化关系.最后基于格子Boltzmann方法采用Visual C++语言编制了相应的计算程序,分别计算了单面排水和双面排水情况下,不同时步饱和土体中超孔隙水压力的分布情况,并将相应的数值计算结果与经典的解析解进行了分析对比.研究表明:该方法的数值解与理论解的吻合程度较好,验证了格子Boltzmann方法在计算饱和土体一维固结问题方面的有效性.     

基于数值模拟的地下水开采引起的地面沉降机理和对策研究——以定襄县贾家庄为例

以山西省定襄县贾家庄村抽水引起的地面沉降为例,采用多物理场耦合分析软件Comsol Multiphysics中的多孔弹性接口,基于Boit固结理论,建立抽水区-地面沉降流固耦合模型。通过计算,分析了地面沉降产生的原因,即当水位下降到一定深度后,土中的孔隙水压力降低,由于总压力基本不变,则有效应力相应增大,从而引起土体固结压缩产生地面沉降,并得出了地表变形位移以及含水层水头、土体孔隙水压力分布情况。最后,通过设定不同的开采条件计算工况,给出合理的开采管理建议。     

现浇植被混凝土细观孔隙结构分析及渗流模拟

以目标孔隙率24%,水胶比0.32,粗骨料粒径16～26 mm的现浇植被混凝土为研究对象,通过计算机断层(CT)扫描技术获取试件的序列图像,采用Image J软件从细观角度分析二维平面孔隙特征;采用Avizo软件重建孔隙三维细观模型,分析孔隙空间结构并进行单相渗流模拟。结果表明:孔隙直径、孔隙面积均呈单峰分布,孔隙大小比较均匀;孔隙形状接近一个正圆;平面孔隙率平均值与实测孔隙率相差不大;计盒维数法测得的分形维数表明孔隙具有较好的分形特征;三维孔隙空间分布范围与二维定量分析具有一致性;孔喉尺寸呈正态分布,表明孔隙间连通性良好;压力梯度分布及流线分布有利于分析植被混凝土的渗流机理,模拟结果与试验结果吻合较好,验证了重建的三维模型的可靠性。     

华北地区平原水库重塑粉质黏土渗透性的探究

影响重塑细粒土渗透系数测定的因素之一是土样的制备。以华北地区某平原水库粉质黏土为研究对象,通过变水头试验和压汞实验,研究制备试样的固结时间和渗流起始水头对水工建筑物建筑材料渗透性和孔隙的影响。结果表明:制备试样的固结时间对渗透系数的影响更显著,固结8 h的渗透系数是24 h的3.8倍;起始水头对渗透系数的影响不超过2倍;固结时间越短,渗透系数受水头的影响越大;对重塑粉质黏土,以至少固结10 h且起始水头为100 cm为宜;固结使大孔隙(>40μm)减小为小孔隙(<10μm),土中的孔隙趋于均匀;对渗透性起决定性作用的是10~40μm的孔隙含量,随其增多,渗透性增大。结论对重塑细粒土渗透系数的测定和工程中渗透性的应用有借鉴意义。     

衬砌渗透性对深埋隧洞渗流场及塑性区的影响研究

将深埋隧洞简化为圆形轴对称模型,推导得到其渗流场和考虑渗透体积力的弹塑性解.以此为基础,通过衬砌与围岩渗透系数比值变化,对隧洞渗流场、塑性区和渗漏量进行分析,探讨衬砌渗透性影响.算例表明,当衬砌为透水材料时,衬砌及围岩内水头从外向内迅速减小,但当衬砌与围岩渗透系数比值大于50后,渗流场变化不再显著.隧洞渗漏量随衬砌与围岩渗透系数比值增大逐渐增大,但比值大于50后,趋于稳定值.对于存在初始塑性区的无压隧洞,当衬砌不透水时,衬砌的塑性区较大;塑性区随衬砌与围岩渗透性增大逐渐减小,并趋于稳定.对于存在初始塑性区的有压隧洞,保持内压不变,随着衬砌渗透性的增大,塑性区迅速加大,但当衬砌与围岩渗透系数比值大于50后,塑性区不再变化;对于无初始塑性区的隧洞,保持内压不变,衬砌的渗透性对塑性区发展影响较小.     

软土地基悬臂钢板桩围堰变形稳定影响分析及应用

在设计单排钢板桩围堰时如果不设拉撑结构,设计成悬臂式钢板桩围堰,将导致钢板桩在软土地基中变形量大,甚至发生倾覆。基于华南地区某船闸工程实例,利用有限元软件建立三维可视化地质模型计算分析了施工垫层、搅拌桩施工时对地基土扰动和产生的超静孔隙水压力等因素对钢板桩围堰变形及受力的影响。由于当地软土具有压缩性高、抗剪强度低、固结时间长、灵敏度高、扰动性大等性质,深厚软土搅拌桩连续施工过程中存在土体强度因扰动降低的时段,施工荷载、水压力、土压力等综合因素作用导致钢板桩围堰产生大变形。结合监测数据及专家意见,提出围堰变形预警控制及加固措施。     

不同干密度下黄土孔隙分形特征及其对基质吸力的影响

基于分形几何学方法建立了土体孔径分布的描述,并结合Young-Laplace理论提出了考虑孔隙分形特征的非饱和土基质吸力模型。针对陕西地区的黄土收集了不同干密度的土水特征曲线并分析了干密度对孔隙分布特征及基质吸力的影响。结果表明：黄土孔隙具有明显分形特性,可采用Menger海绵体分形模型良好描述。模型孔隙特征参数分析发现随着干密度增大,分形维数D近似线性增大,而最大孔径L呈幂函数减小;通过函数拟合,进一步建立黄土孔径分布与干密度的特征关系,进而实现了对不同干密度下的黄土基质吸力快速预测。     

衬砌渗透性对深埋隧洞渗流场及塑性区的影响

将深埋隧洞简化为圆形轴对称模型,推导得到其渗流场和考虑渗透体积力的弹塑性解。以此为基础,通过衬砌与围岩渗透系数比值变化,对隧洞渗流场、塑性区和渗漏量进行分析,探讨衬砌渗透性影响。算例表明,当衬砌为透水材料时,衬砌及围岩内水头从外向内迅速减小,但当衬砌与围岩渗透系数比值大于50后,渗流场变化不再显著。隧洞渗漏量随衬砌与围岩渗透系数比值增大逐渐增大,但比值大于50后,趋于稳定值。对于存在初始塑性区的无压隧洞,当衬砌不透水时,衬砌的塑性区较大;塑性区随衬砌与围岩渗透性增大逐渐减小,并趋于稳定。对于存在初始塑性区的有压隧洞,保持内压不变,随着衬砌渗透性的增大,塑性区迅速加大,但当衬砌与围岩渗透系数比值大于50后,塑性区不再变化;对于无初始塑性区的隧洞,保持内压不变,衬砌的渗透性对塑性区发展影响较小。     

考虑应力场作用的土坝渗透系数反演方法研究

由于土的渗流特性和土的非线性特性,土石坝在长期运行过程中,坝体结构形态不断进行调整.研究了渗流场与应变场的耦合效应,通过公式推导得到应变场和渗流场耦合的关系式,可以避开对量级较小的渗透系数的求解,提高反算速度和精度.正算采用基于耦合的渗流场计算的有限单元法,反算用遗传算法,探讨了基于耦合的渗透系数的反分析问题,然后导出这一问题的有限元计算公式及相应程序.并针对一实际黏土心墙坝进行了基于非线性耦合分析模型的渗透系数的反分析.分析结果表明,基于耦合的反算结果是合理有效的.     

黄河三角洲粉质盐碱土土壤结构特征与渗透性关系分析

以黄河三角洲粉质盐碱土为研究对象,通过扫描电镜及压汞试验,结合土壤渗透系数,分析土壤结构特征与渗透性之间的关系。结果表明:黄河三角洲原状盐碱土土颗粒呈紧密镶嵌式排列,孔隙狭窄且不连通,孔隙主要为小孔隙和微孔隙,孔径较小;对原状土进行渗透试验得到渗透系数为6.46×10~(-5) cm/s,渗透性较差;将土壤重塑后由于絮凝集聚体被破坏且该地区盐碱土中粉粒含量较多,其渗透系数降为2.40×10~(-5) cm/s。黄河三角洲粉质盐碱土结构致密,孔隙狭小不连通,不能为水分下渗提供充足的渗流通道,导致该地区土壤渗透性较差。综合考虑该地区土壤结构特征与渗透性,对其进行治理时,建议掺杂砂石,以打破原始结构,增加渗流通道。     

黄土坡耕地水土保持的“缝、洞”技术

提出了一种防止黄土高原坡耕地水土流失的“缝、洞”技术,使坡面径流在重力作用下通过“缝”就地拦蓄于“洞”中形成土壤水库,通过“缝、洞”节节拦蓄,可抑制大面积坡面径流的汇聚并减少蒸发,达到防止水土流失的目的.指出了“缝、洞”措施在黄土坡耕地应用过程中应该注意的问题;提出了这种微型水利水保工程的设计标准,以相应标准暴雨径流全部流蓄“洞”中为原则,初步提出“缝、洞”的合理布置方案,推导出合理洞径与缝距之间的关系.应用有限元法模拟了成洞过程及渗流分析,得到了成洞后洞体周围土体的物理力学参数的变化规律:成洞后,在洞体周围约0.4倍洞径的区域,土体的物理力学性质较成洞前发生较大变化,土体的孔隙率和渗透系数显著降低,干密度和变形模量显著升高,并且离洞体越近,孔隙率和渗透系数越小,干密度和变形模量越大;渗流稳定后,洞体强度略有降低,洞体产生一定的变形.     

长距离调水工程渠道裂隙岩质边坡渗流模拟

长距离调水工程选址时不可避免地经过裂隙发育地层，地层中裂隙对边坡渗流场有着重要影响，可能诱发渠道产生渗透破坏。以胶东调水工程莱州段部分渠段为研究对象，以实测裂隙分布情况为样本，基于蒙特卡洛法生成随机分布的裂隙网络，采用COMSOL有限元数值计算软件分别基于孔隙模型和裂隙模型开展不同降雨条件下渠道裂隙岩质边坡渗流分析。结果表明，裂隙模型的湿润峰运移速度比孔隙模型快，孔隙水易提前与地下水接触，造成边坡位置地下水位上涨；相同降雨强度、地下水位条件下，裂隙模型的渠道坡脚处水头值较孔隙模型的大，更易造成渠道衬砌板破坏；相同降雨条件下，裂隙的存在使得衬砌板的破坏时间提前，还会扩大破坏范围，降雨强度越大，破坏面积越大。     

考虑应力场作用的土坝渗透系数反

由于土的渗流特性和土的非线性特性，土石坝在长期运行过程中，坝体结构形态不断进行调整。研究了渗流场与应变场的耦合效应，通过公式推导得到应变场和渗流场耦合的关系式，可以避开对量级较小的渗透系数的求解，提高反算速度和精度。正算采用基于耦合的渗流场计算的有限单元法，反算用遗传算法，探讨了基于耦合的渗透系数的反分析问题，然后导出这一问题的有限元计算公式及相应程序。并针对一实际粘土心墙坝进行了基于非线性耦合分析模型的渗透系数的反分析。分析结果表明，基于耦合的反算结果是合理有效的。     

基于非稳定过程的岩土体非饱和参数反演分析

岩土体非饱和参数的确定是进行岩土体非饱和渗流分析的关键。考虑岩土体非饱和非稳定渗流过程中地下水位的动态变化,根据监测点水位变化数据,通过正交设计、非饱和渗流正分析、BP神经网络和遗传优化算法相结合的分析方法,确定了基于van Genuehten模型的岩土体持水特征曲线参数,较好地解决了岩土体非饱参数确定的困难。并以一次降雨过程中岩质边坡非饱和渗流场的动态变化为例,验证了该方法的可行性和可靠性。反演分析结果可为进一步分析降雨过程中岩土边坡强度及其稳定提供了依据。     

土坝渗流特性的反演方法研究

用有限单元法求解有自由面的无压渗流问题,目前常用的方法有变动网格法和固定网格法两种。在遇到渗透性不同的水平成层地基及各种复杂夹层时,程序的数学处理不易;当初始自由面与最终自由面相差较大时,网格过分变形导致单元畸形;并且该法不能用同一单元网格剖分来分析渗流场与应力场,增加了有自由面渗流域应力分析的工作量。本文利用无网格法具有积分网格和节点相互独立的优点,解决了传统有限元方法很难处理的复杂渗透介质的计算域的问题。土坝的渗透系数的反演属于高度非线性问题,由于人工神经网络能较好地解决非线性问题,基于对无网格法的渗流的正分析,用神经网络法对渗透系数进行反演,通过算例证明无网格法和神经网络法的结合为解决有自由面的土坝的渗透系数的反演提供了一个有效的算法。