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非饱和土两相流模型及其应用研究

徐炎兵  
【摘要】: 非饱和土中两相流动问题是防治地下环境污染和地质灾害问题、高效开采化石能源、有效评估地下水资源等所必需解决的一个关键问题。由于材料的非均质性和毛细作用的影响,非饱和土呈现出非常复杂的水力学特性,这主要表现为含水量大小及其变化历史对渗流过程的影响。经典的渗流模型(如Richard模型)在描述复杂条件下非饱和土两相流动问题时存在明显的局限性。因此,开展对非饱和岩土介质中两相流动问题的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文围绕非饱和土两相流动问题,开展理论模拟与数值分析研究,具体进行了以下四个方面的工作: (1)对文献中已有的循环滞迴土水特征关系进行了总结与分析,以毛细循环内变量模型为基础,充分考虑残余含气量对循环土水特征关系的影响,建立了适用于含水量随机变化情况的土水特征关系模型。该模型不仅能考虑主滞迴边界内循环滞迴的土水特征关系,而且能模拟初始脱湿边界与主脱湿边界区域内的任意滞迴曲线,同时还给出了任意含水量变化路径下的残余含气量。新模型的建立为渗流计算分析提供了实用可靠的本构模型。 (2)基于多孔介质的热动力学理论,考虑了任意含水量变化历史对土水特征关系的影响,建立了一个包括孔隙弹性应力应变关系以及考虑毛细循环滞迴土水特征关系的耦合模型。该模型不仅能对非饱和土中的两相流体(如水-气、水-污染物等)的流动过程进行有效地描述,同时还能对骨架的变形过程进行模拟。 (3)对上述模型的控制方程进行了简化,利用Galerkin法对简化控制方程进行了空间离散,得到了有限元方程。并利用Hilber,Hughes和Taylor-α时域积分方法对有限元方程进行了时间离散,得到了有限元的数值计算格式,在此基础之上改进了有限元数值计算程序U-DYSAC2,以探求各种复杂边界条件下的非饱和土渗流与变形的耦合作用问题。 (4)应用开发的有限元计算程序,对非饱和土水气两相流问题以及污染物迁移问题进行了模拟与研究。首先利用U-DYSAC2模拟了经典的两相流问题Liakopoulos试验,以及污染物在饱和多孔介质中迁移与洪水作用下的粉土坝基渗水的两个离心模型试验,数值预测结果与实验实测数据非常吻合,验证了本文所提分析方法的适用性。另外,利用该程序还分析了非亲水相流体(NAPL)在饱和多孔介质中的迁移规律,探讨了地层特性、渗透参数等对其迁移的影响。最后,对水位上升时坝基的非稳定渗流问题进行了数值模拟,并对降雨作用下的边坡渗流以及稳定性问题进行了探讨,研究了滞迴效应对土坡渗流以及稳定性的影响。


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