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動規(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)外在上述領域中工程需求的增加，滲流研究日益成為熱點問題。 本文在飽和、非飽和滲流理論基礎上，結合非飽和滲透系數(shù)研究成果，對達西速度的表達式進行變形，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)，為避免研究復雜的多相流問題，

2、可以認為非飽和區(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區(qū)域中分別退化為關于測壓管水頭的拉普拉斯方程和關于飽和度的對流方程?？臻g用伽遼金有限元方法，時間采用隱式差分方法對方程進行離散。分別對飽和區(qū)的拉普拉斯方程采用預處理共軛梯度法(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，在實驗室內(nèi)進行了模型土壩的非恒定滲流實驗。通過對實驗結果進行分析，初步認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)定滲流的物理力學特性。推導了雙介質(zhì)土柱表層水入滲的下滲鋒面解析表達式、穩(wěn)定狀態(tài)時測壓管水頭分布與飽和度分布的解析表達式，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式。用本文提出的飽和-非飽和滲流模型分別對

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