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《武汉大学》 2005年
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岩土介质非饱和渗流分析及工程应用研究

荣冠  
【摘要】:饱和非饱和渗流现象是岩土介质中普遍客观存在的地下水运动规律,由于其对岩土体稳定性、地下水资源利用、污染控制、石油天然气开采等工程问题均具有重要影响,同时近十来年由于国内外在上述领域工程需求增加,使饱和非饱和渗流研究正成为岩土工程的热点问题。本文首先对岩土体饱和非饱和渗流、渗流场与应力耦合作用和降雨入渗条件下边坡稳定性方面研究情况进行了介绍,在总结前人研究成果的基础上对岩土介质饱和非饱和渗流理论及非饱和渗透试验、饱和非饱和渗流有限元模拟、降雨入渗及其对边坡岩体稳定性影响、渗流与变形耦合等几个方面进行了分析,主要研究和探讨的内容有: 1.对多孔介质饱和渗流基本理论进行了简要论述,给出了多孔介质饱和渗流基本微分方程。阐述了非饱和土水势、多孔介质土水特征曲线和各种经验公式及非饱和渗透系数的影响因素等。研究了不同特征裂隙的渗透特性,并在此基础上分析了裂隙岩体的渗透特性,介绍了裂隙岩体REV的概念。基于已有的裂隙非饱和渗流试验资料,研究了岩石裂隙开度分布规律,进行了裂隙非饱和水力参数拟合及理论分析,同时对岩石裂隙非饱和渗流机理作了初步探讨。 2.根据渗流基本理论分析推导了连续介质三维饱和非饱和渗流问题微分方程以及渗流基本边界条件,在此基础上给出了饱和非饱和渗流方程Galerkin有限元格式。推导的饱和非饱和渗流有限元求解中以压力水头为基本未知量,将稳定与非稳定、饱和与非饱和渗流场统一起来进行研究,整个渗流场采用一个支配方程,自由面只是正压区与负压区的分界面,计算中不须进行自由面迭代。饱和非饱和渗流有限元求解相应的缺点有:非饱和参数不易确定、计算精度不易控制、由于负区与正区方程类型不同导致求解和收敛困难。针对上述问题讨论了求解中材料非饱和参数选取及逸出面的处理、非线性迭代技术及收敛标准和初始压力水头边界的确定等问题。 在三维饱和非饱和渗流有限元程序进行验证的基础上,对某库区边坡岩体库水位升降条件下的渗流场进行了模拟计算,计算结果反映:随着水位的上升,渗流场总体变化规律为,负压区范围逐渐变小,正压区压力水头变大,部分岩体由非饱和状态变为饱和状态,零压线上升明显滞后于库水位的上升。由于边坡初始压力水头(对应含水量)和岩土材料非饱和渗透参数的差异性,使负压区水头和零压面的变化较复杂。水位下降时,零压面随库水位下降而迅速下降,负压区也随之增大,正、负压区压力水头均逐渐变小。地下水流速矢量方向总体为斜坡倾斜方向,且零压面附近流速最大。
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