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.     

含贯通裂缝的软弱夹层受水力冲刷破坏的水深研究

为研究水流对含贯通裂缝软弱夹层的冲刷效应,对含贯通裂缝的软弱夹层建立了无限延伸的径流-渗流耦合水力冲刷模型。该模型用Navier-Stokes方程描述裂缝通道中的裂缝水流,用Brinkman-extended Darcy方程描述软弱夹层中岩土体渗流,然后根据不同介质交界面处流速相等及剪应力连续的边界条件来推求各个介质中的流速分布。根据土颗粒起动破坏时的流速与土颗粒受力的数学关系,推导出裂缝底部土颗粒起动时的临界起动速度;考虑底部土颗粒受水流冲刷时的摩阻效应,结合径流-渗流耦合水力冲刷模型,得出裂缝通道底部的土颗粒受水流冲刷破坏时的临界水深。分析表明,临界水深随着颗粒的重度和颗粒间的黏聚力的增大而增大,随着裂缝通道的坡度、岩土体的孔隙率和渗透率的增大而减小。     

鄱阳湖区某典型圩堤堤基管涌发展过程试验研究

堤基管涌是造成鄱阳湖区圩堤险情乃至溃决的最主要原因之一,从机理上研究并揭示鄱阳湖区圩堤堤基管涌的致灾机制,对于应对管涌险情、科学开展应急抢险具有重要意义。基于鄱阳湖区某圩堤典型堤基结构,采用堤基原型土和自行设计制作的模型槽开展管涌物理模型试验,完整模拟了原型多层复杂堤基管涌发生、发展及致溃的全过程。结合试验现象对管涌发生和发展过程中的水力条件、堤基破坏机理和土体颗粒侵蚀速度等展开分析。研究结果表明,鄱阳湖区圩堤堤基结构中管涌破坏集中于下伏砂层,在渗透压的作用下上覆弱透水层被渗流击穿,于砂层与上覆层的接触面形成管涌通道后加速土体颗粒的侵蚀,最终导致堤基溃决;鄱阳湖区某典型圩堤堤基中夹于黏土层中的壤土层无法起到强弱透水层间过渡层的作用,土体颗粒侵蚀规律与无壤土过渡层的堤基结构相类似,形成表面管涌出口和堤基开裂的土体颗粒累计侵蚀量增长速率均低于0.1 g/s;该圩堤发生管涌的堤基平均总体临界水平坡降约为0.1。     

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.     

软弱夹层中渗流的接触冲刷机制研究

软弱夹层中的接触冲刷是引起渗透变形及裂缝通道扩展的动力条件。为研究软弱夹层中渗流的接触冲刷机制,建立裂缝水流及泥化土体渗流的耦合模型,其裂缝水流的运动用Navier-Stokes方程及连续性方程共同控制,而裂缝周围泥化土体的渗流运动则用Brinkman-extended Darcy方程及连续性方程共同控制;根据相应边界条件,求出裂缝水流及其周围泥化土体渗流的流速分布。通过将裂缝中水流的流速特征与土颗粒的受力起动特性结合起来,提出软弱夹层产生接触冲刷的临界水力坡度计算方法。经算例计算结果表明,该方法所计算的结果与试验结果基本吻合,具有工程指导意义。     

颗粒材料侧向压力分布特性离散元数值模拟分析

水库大坝工程中常见的颗粒材料有堆石体、土体、泥沙等。采用离散单元法(DEM)模拟了颗粒材料堆积过程,利用分形理论研究了颗粒粒径和颗粒摩擦系数对颗粒材料的侧向压力分布特性的影响规律,分析了DEM侧向压力分布与朗肯土压力理论解的差异性。研究结果表明:DEM侧向压力合力与理论解存在差异,颗粒粒径和颗粒摩擦系数越小,则两者差异越大,但合力作用点位置差异不大;由于颗粒材料堆积后内部呈现的拱结构效应,DEM侧向压力分布呈锯齿状且具有不连续性,部分侧向压力值较周围值骤增,工程设计时应考虑这些危险点的存在;侧向压力强度和作用位置分布具有分形特性;侧向压力强度分布分形维数受颗粒粒径和颗粒摩擦系数影响不大,分布范围在1.17～1.29;随着颗粒粒径和颗粒摩擦系数的增大,侧向压力作用位置分形维数减小,作用力分布位置趋向密集,表明刚性墙的某些部位将集中承载更多的侧向压力。     

网式过滤器滤网堵塞成因分析与压降计算

为分析网式过滤器滤网堵塞的过程和成因,并获得滤网堵塞后压降计算的相关参数,对网式过滤器进行堵塞试验。试验结果表明:滤网堵塞经历了介质堵塞和滤饼堵塞2个过程,形成的滤饼内层泥沙颗粒粒径较大,外层颗粒粒径分布较均匀;滤网孔径和含沙量是影响堵塞的重要因素,滤网孔径越小,滤网堵塞所用时间越短;相同孔径下,含沙量越大,堵塞所用时间越短,滤网越容易堵塞。根据试验结果建立了滤网内外压降与滤网孔径、滤网厚度、孔隙率、形成滤饼层厚度、滤饼孔隙率等的定量关系式,并分别计算了孔径为430、280、200μm滤网的内外压降,并与实测压降进行了对比分析。结果表明,计算得到的滤网内外压降与实测值基本一致,可以反映滤网堵塞的规律;滤网内外压降随水流流量、滤网厚度、形成滤饼层厚度增大而增大,滤网孔径越小,滤饼孔隙率越小,滤网两侧压降越大。     

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.     

湿粘水稻土深松过程离散元分析

湿粘水稻土的深耕松对作业机具设计与作业参数的要求不同于旱作制,为探究水稻土条件下土壤深松扰动过程及其内在相互作用机理,本文结合田间实测土壤物理参数,借助离散元EDEM软件,建立适用于粘性水稻土的深松耕作离散元模型。利用粘性水稻土模型对水稻土的机械深松耕作过程进行离散元模拟仿真,并结合田间试验结果对机具耕作阻力、土壤宏观扰动进行对比验证,进一步从仿真的角度揭示深松土壤扰动的微观过程、土壤失效破碎的微观机理。结果表明,该模型下深松耕作阻力平均误差为6.63%,土壤扰动的起垄宽度平均误差为4.39%,起垄高度平均误差为19.22%;DEM仿真对土壤的微观扰动过程分析进一步论证了宏观试验测试结果及假说的正确,并且能够从土颗粒接触力学层面表达土壤扰动的边界生成、土体内部破碎等过程;结合DEM仿真角度提出的反映土体破碎程度指标——断裂系数,与传统试验的指标参数碎土系数对比两者误差为3.46%,该指标更有利于对土壤破碎过程微观机理的表达。     

砒砂岩重塑土力学特性及本构模型试验研究

为研究含水率和围压对砒砂岩重塑土力学特性的影响,采用TSZ-6A全自动静三轴仪进行三轴剪切试验.试验结果表明:随着围压的增大,土体抗剪强度逐渐变大;含水率越大,土体抗剪强度越小,并且两者都近似呈线性变化的趋势.以含水率、围压为影响因素,依据邓肯-张模型建立了砒砂岩重塑土的本构模型.应用该模型对不同含水率、围压下砒砂岩重塑土的应力-应变关系进行预测,预测结果与实测结果接近,表明以含水率、围压为参数建立的预测模型能较好地反映砒砂岩重塑土的本构关系.研究可为砒砂岩土在工程建设中的应用提供基础理论依据.     

The effect of microorganisms,salinity and turbidity on hydraulic conductivity of irrigation channel soil

The introduction of polysaccharide producing benthic algae and bacteria could provide a low cost technique for seepage control in irrigation channels. The ability of algae and bacteria to produce polysaccharides proved to be successful in reducing the hydraulic conductivity of irrigation channel soil. Hydraulic conductivity was reduced to less than 22% of its original value within a month of inoculating soil columns with algae. Chlorophyll and polysaccharide concentrations in irrigation channel soil were measured in order to assess the growth of algae and extent of polysaccharide production, and their correlation with hydraulic conductivity of channel soil. Increases in polysaccharide occurred in the top layer (0–5 mm) of the soil column. The reduction of hydraulic conductivity was highly correlated with the amount of polysaccharides produced (r ² = 0.92). Hydraulic conductivity decreased with increasing algal and bacterial numbers. The first few millimetres of the soil core where microbial activity was concentrated, seemed effective in controlling seepage. Incorporation of extra nitrate and phosphate into algal medium did not increase the production of polysaccharides by algae in channel soil. The effect of salinity and turbidity of irrigation channel water on channel seepage was studied by measuring the effects on hydraulic conductivity of channel soils. When the electrical conductivity (EC) of the water increased above a threshold value, the hydraulic conductivity increased because of the flocculating effects on clay particles in channel soils. A relationship between sodium adsorption ratio (SAR) and EC of the channel water was established which indicated 15% increase in channel seepage due to increases in salinity. Increasing the turbidity of irrigation water (by increasing the concentration of dispersed clay) resulted in lowering the hydraulic conductivity of the channel soil due to the sealing of soil pores by dispersed clay particles. When the turbidity of the water was 10 g clay l^–1, the hydraulic conductivity was reduced by 100%. An increase in clay concentration above 1 g l^–1 resulted in significant reduction in hydraulic conductivity. Soil bowl experiments indicated that clay sealing with a coating of hydrophobic polymer on the surface could also effectively prevent seepage of saline water.     

Image processing-based study of soil porosity and its effect on water movement through Andosol intact columns

The soil pore network and marcoporosity are important factors affecting water and solute transport. The transfer of contaminants to water resources is of particular importance in the Valle de Bravo watershed as it provides 10% of the drinking water for the 20 million inhabitants of Mexico City. This watershed is composed mainly of Andosols with unique mineralogical and physical characteristics. Soil porosity is usually examined on thin sections, using various image analysis techniques. We propose a novel methodology combining image analysis and a displacement experiment to study relationships between soil structure and water tracer transport parameters. H₂¹⁸O displacement experiments were conducted through intact soil columns sampled at three depths from a representative cultivated Andosol profile. The soil structure and pore characteristics were obtained by image analysis on thin sections obtained from each column at the end of the displacement experiment. The total 2D porosity (for pores larger than 50 μm) varied from 80% of the total section area in the topsoil to around 60% in the subsoil. Tubular pores were the most abundant in the soil profile, but ploughing of the topsoil had destroyed sections of these pores and replaced them with packing pores. Water transport in the intact subsoil columns was always in physical non-equilibrium, showing the existence of preferential flow pathways. In the topsoil, one column out of three showed no preferential flow, demonstrating that soil ploughing also homogenised pore connections. Pore connectivity was larger in the ploughed topsoil than in their deeper soil horizon counterparts. Our methodology offers a 2D quantitative characterisation of the macroporous network at 50 μm resolution and the determination of water transport parameters on the same intact soil samples. 3D characterisation of soil porosity using X-ray computed tomography (CT) gives a better picture of pore connection but usually has lower spatial resolution and a larger cost.     

山丘区中小河流滩地土壤物理性质及空间分布特征

为探求山丘区中小河流滩地土壤物理性质及空间分布特征,以浙江省龙游县灵山港滩地为试验对象,通过野外取样与室内测定分析,分析研究了山丘区中小河流滩地表层土壤的密度、体积质量、孔隙度、饱和含水率、颗粒组成等滩地土壤物理性质变化与空间分布特征。结果表明,河道沿线滩地土壤物理性质空间差异性显著,主要表现为:(1)从上游至下游,滩地土壤密度沿程降低,中游区段土壤体积质量最小,总孔隙度以及饱和含水率最大。(2)土壤颗粒组成以粗颗粒(粗砂,细砂)为主,在河道纵向上,随着河道坡降变缓,水流能态减小,粗颗粒质量分数降低,细颗粒(粉粒,黏粒)质量分数及土壤粒径分维值(D)增加,滩地土壤颗粒沿程细化。(3)由于水流条件及植被类型的影响,在不同滩位上,高滩处林地土壤细颗粒组质量分数及土壤粒径分维值最高,分别为36.38%和2.66,土壤粒径分维值能够反映出不同沉积环境对土壤颗粒分布的影响。     

不同鳃片间距下的分离鳃内部流场三维数值模拟

为研究鳃片间距对分离鳃的速度场及泥沙分布特性的影响,采用Fluent软件中的层流模型和欧拉模型,运用Phase Coupled SIMPLE(PC-SIMPLE)算法,对不同鳃片间距下分离鳃的水沙两相流流场进行了静水沉降的三维数值模拟。根据数值计算结果,对速度场和含沙量分布特性进行了对比与分析。结果表明:不同鳃片间距下,分离鳃内部的速度场分布规律有所不同,鳃片间距越大,速度流场受到来自泥沙通道中的泥沙流与清水通道中的清水流影响就越大;鳃片间距越小,分离鳃的沉淀效果越好。以泥沙平均速度和清水平均速度作为考核指标,同时考虑分离鳃内部的流场特性、水沙分离效果与制作分离鳃的成本,则最佳鳃片间距为5 cm。     

热泵空调机组水循环流动特性的试验研究

针对现有热泵机组空调系统能耗高,舒适度低的问题,提出了由多孔介质柠檬酸钾-石膏配制而成的毛细吸液芯辐射冷却顶板,在用水作冷却介质时毛细吸液芯辐射冷却顶板就成了一块内含多孔介质的均布流道.对毛细吸液芯辐射冷却顶板和传统的蛇形辐射换热盘管内部阻力进行了试验研究,在流量为4～40 L/h变化时,比较分析了毛细吸液芯辐射冷却顶板和传统的蛇形辐射换热盘管的阻力,并利用ICP-Optional Emission Spectrometer对循环水在毛细吸液芯辐射冷却顶板内部运行1 200 h的钙离子质量浓度进行了测试.试验结果表明：当流量小于17 L/h时,毛细吸液芯多孔介质的渗透率较低,导致流体在辐射板中流动时阻力损失较大;当流量大于17 L/h时,流体在辐射板中流动时的摩擦因子较小,在辐射板中由惯性力引起扰动造成的阻力损失小于蛇形管中的扰动损失,多孔介质对水的渗透率较大,导致流体在辐射板中流动时阻力小于蛇形管中流动阻力;钙离子质量浓度在运行360 h之后趋于稳定,能够满足循环水在热泵机组中的长期使用.     

明渠横向取水旋涡影响因素数值模拟及试验研究

明渠岸边横向取水是一种常见的取水形式,在明渠主河道与横向取水口衔接处,横向取水易产生旋涡引起取水效率降低,其影响因素及机理有待进一步探明.基于水气两相VOF方法,以中国南方某横向取水工程为例,建立了三维数值模型,并对横向取水过程中引起的旋涡进行数值模拟,探究其产生机理.同时定量分析了衔接段圆弧半径、主河道及取水流速3个因素对旋涡的影响,并通过物理模型试验进行了验证.结果表明横向取水衔接段由于河道突然扩散,导致水流脱离边壁,极易形成旋涡.同时衔接段圆弧半径、主河道及取水流速均会对涡带的生、消和形状产生重要影响.当衔接段圆弧半径变大、主河道和取水流速变小时,单个旋涡半径变小,存在时间也会有所缩短,整个涡带的存在范围也有所缩小.研究进一步深化了横向取水的水力学机理,为横向取水口的优化设计提供技术支撑.     

河套灌区渠道水深对渠床土壤入渗特性的影响

【目的】探究渠道水深对渠床土壤入渗特性的影响及其变化规律。【方法】以河套灌区典型斗渠规模的渠道水深对渠床土壤入渗特性的影响为对象,采用水位下降静水法入渗试验,分析了渠道水深对累积入渗量、入渗率、渗漏强度的影响。【结果】(1)在同一渠道水深条件下,土壤累积入渗量随着渗漏用时的延长而增加;土壤入渗率和渠道渗漏强度均随渗漏用时逐渐减小并最终趋于稳定。(2)不同渠道水深条件下土壤累积入渗量、土壤入渗率和渠道渗漏强度均呈现出随水深的增加而增大的趋势。(3)在渠道水深作用下渠床土壤含水率动态分布受基质势梯度、土壤导水率及湿周的影响较大。【结论】渠道水深对渠床土壤入渗特性中的累积入渗量、入渗率、渗漏强度及渠床土壤含水率动态分布均有较大影响,且前三者均随水深的增加而呈现指数规律增大,并且在不同渠道水深的相近入渗特性下最优水深为70 cm。     

景电灌区利用回归水灌溉的潜力分析

景电灌区灌溉回归水指灌溉农业土壤深层渗滤水、农田尾水、渠道渗漏水、退水及少量的工业废水和城镇生活污水,年排量达1亿m3.针对灌区灌溉回归水的特点,分析回归水的水质、水量,研究其产生的负面影响,得出利用回归水灌溉的潜力.