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低渗透介质非达西渗流数值模拟方法及应用

作　者: 毛宗原
导　师: 王恩志
学　校: 清华大学
专　业: 水利工程
关键词: 非达西渗流低速渗流低渗透介质启动压力梯度
分类号: TV223.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
下　载: 773次
引　用: 5次
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内容摘要

地下岩体中的渗流问题是影响水利枢纽工程运行的主要因素也是水利工程设计的重要课题之一因此水利工程学界目前研究的主要方向是地下水渗流的基本规律和渗流原理建立合适的渗流模型是渗流分析计算是否准确有效的基础低渗透介质的特点是在渗流过程中存在启动压力梯度而且当压力梯度较低时其流速和压力梯度的关系为非线性关系不再遵循达西渗流规律其渗流特征用一般的达西渗流模型或者非达西运动方程渗流模型来模拟均存在不足为了比较全面的反映低渗透介质中渗流的运动规律本文建立了能够直接反映低渗透介质中渗流特性的低速非达西渗流模型本文在详细分析了渗流基本规律的基础上介绍并讨论了基于达西理论的达西渗流模型和基于非达西特征的非达西运动方程渗流模型对其做了深入分析本文研究了低速非达西渗流模型该模型利用水均衡原理推导非达西渗流连续性方程并采用在达西渗流计算中比较成熟的有限单元法和超松弛迭代法同时本文详细研究了各种非达西运动方程的特点直接采用典型的非达西渗流曲线体现了低速非达西渗流的基本特征本模型把变渗透系数的概念引入到非线性渗流数值方程中采用变渗透系数的交替迭代求解法将现今各种运动方程反映的非达西渗流物理问题转化为纯数学问题然后采用超松弛迭代法对渗透系数和水头函数值交替求解从而实现非线性数值方程的求解问题该方法能较好的模拟非达西渗流特征可以应用于实际工程分析本文将此方法应用于绿茵湖水库防渗优化分析和运行工况渗流场模拟分析验证了该模型对低渗透介质渗流分析的有效性和实用性并且为工程采取合适的防渗设施提供建议为工程运行工况渗流场进行了模拟分析本文的部分计算分析结果已经提交给设计施工方为工程的正式施工设计提供参考 I

全文目录

第1章引言  10-25
  1.1 非达西渗流研究背景和意义  10-12
  1.2 非达西渗流的研究概况  12-22
    1.2.1 渗流力学的发展阶段  12-14
    1.2.2 高速非达西渗流模型  14-18
    1.2.3 低速非达西渗流模型  18-19
    1.2.4 渗流力学的研究近况  19-22
  1.3 本文的主要工作和意义  22-25
    1.3.1 本文要解决的主要问题  22
    1.3.2 本文的主要内容  22-25
第2章渗流基本规律及达西渗流基本解法  25-43
  2.1 渗流的基本概念  25-27
    2.1.1 地下水运动的基本规律  25-26
    2.1.2 地下水流态的判别  26-27
  2.2 渗流基本定律  27-30
    2.2.1 渗流的基本规律 Darcy定律  27-29
    2.2.2 渗透系数张量  29-30
  2.3 渗流基本方程和基本模型  30-33
    2.3.1 渗流的连续性方程  30-31
    2.3.2 定解条件  31-33
    2.3.3 描述地下水运动的数学模型  33
  2.4 地下水渗流问题的解法  33-43
    2.4.1 地下水渗流的解法概述  33-35
    2.4.2 有限差分法  35-38
    2.4.3 有限单元法  38-41
    2.4.4 超松弛迭代法  41-43
第3章低速非达西渗流机理研究  43-59
  3.1 近年来的实验研究成果  43-44
  3.2 渗流流体的非牛顿性及概念  44-49
    3.2.1 非牛顿流体的定义及模型  45-47
    3.2.2 渗流流体概念的提出  47-49
  3.3 渗流流体与孔隙介质之间的相互作用  49-54
    3.3.1 流体与孔隙的物理过程和化学反应  49-50
    3.3.2 界面张力  50-51
    3.3.3 边界层理论  51-54
  3.4 多孔介质的孔隙结构影响  54-57
    3.4.1 孔隙度和中值半径  54-56
    3.4.2 比表面积  56-57
    3.4.3 塑性变形  57
  3.5 小结  57-59
第4章低速非达西渗流模型和计算方法的探讨  59-75
  4.1 现阶段对低速非达西运动方程和渗流模型的探讨  59-67
    4.1.1 早期的低速非达西渗流模型  59-60
    4.1.2 拟启动压力梯度模型  60-61
    4.1.3 三方案的数学模型  61-63
    4.1.4 三阶段模型  63-65
    4.1.5 三参数渗流模型  65-67
  4.2 低速非达西渗流数值法的基本思路  67-75
    4.2.1 非达西渗流基本方程  67-69
    4.2.2 数值解法的思路  69-71
    4.2.3 数值解法的步骤  71-72
    4.2.4 计算过程中可能出现的振荡问题  72-75
第5章低速非达西数值方法基本算例  75-101
  5.1 渗流场无抽排水和降雨的渗流计算  78-94
    5.1.1 算例1的计算分析结果  78-82
    5.1.2 算例2的计算分析结果  82-86
    5.1.3 算例3的计算分析结果  86-90
    5.1.4 算例4的计算分析结果  90-94
  5.2 渗流场有抽水的渗流计算  94-100
    5.2.1 算例5的计算分析结果  94-97
    5.2.2 算例6的计算结果分析  97-100
  5.3 本章小结  100-101
第6章绿茵湖水库自然与地质条件  101-108
  6.1 工程概况  101-104
  6.2 工程地质  104-108
第7章绿茵湖水库坝基岩体渗流模型及单元划分  108-112
  7.1 坝体剖面二维渗流计算分析  109
  7.2 计算单元的划分  109-110
  7.3 渗透性分区  110-111
  7.4 边界条件  111-112
第8章大坝防渗帷幕优化和运行工况渗流场模拟分析  112-129
  8.1 考虑断层对大坝渗流场的影响无防渗帷幕  113-115
  8.2 考虑坝体对大坝渗流场的影响无防渗帷幕  115-118
  8.3 防渗帷幕优化和渗流场模拟分析  118-129
    8.3.1 采用达西流数值方法的防渗帷幕优化和渗流场模拟分析  118-120
    8.3.2 采用非达西流数值方法的防渗帷幕优化和渗流场模拟分析  120-123
    8.3.3 考虑启动压力梯度变化和非线性区域变化的分析  123-126
    8.3.4 小结  126-129
结论  129-132
参考文献  132-137
致谢声明  137-138
个人简历在学期间的研究成果及发表的学术论文  138

低渗透介质非达西渗流数值模拟方法及应用

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