饱和非饱和渗流计算参数分析

饱和非饱和渗流计算参数分析 饱和Ο非饱和渗流计算参数分析 1 2 2严 飞,詹美礼,速宝玉 () 1 . 上海市政工程 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 研究院 城市水工所 ,上海 200092 ; 2 . 河海大学 水电学院 ,江苏 南京 210098 摘要 :在饱和Ο非饱和渗流计算中 ,非饱和渗流参数的选择至关重要 。通过开展非饱和渗流参数试验及非饱和渗流 模型试验 ,用模型试验结果作为评判标准 ,研究了 V G 模型代入法和试验数据法之间的差距 ,提出了“双参数 V G 模 型”的方法 。结果表明 ,利用“双参数 V G 模型”代入数值计算中 ,计算结果可以较好地和试验结果相吻合 。 关 键 词 :非饱和渗流参数 ;双参数 V G 模型 ;饱和Ο非饱和渗流计算 中图分类号 : TU411 . 4 文献标识码 :A θ别是土壤饱和含水率和残余含水率 ,其中 定义为 r 当 h ?- ?且土壤导水率 K ?0 时的含水率 ,若 h1 问题的提出 值小于 - 1 500 cm 时 ,相应的土壤含水率即可视为 在很多的工程问题中 ,如果仅仅考虑饱和区域 θα ;和 m , n 为非线性回归系数 ,其中 m = 1 - 1/ n ;r 的情况 ,不仅会增加分析的难度 ,甚至会出现对复杂 K为饱和导水率 , K 为非饱和导水率 。1980 年以 s 问题无法求解的情况 。国内外的一些学者致力于综 后 ,国内张尉榛院士 、李文渊教授以及其他学者相继 合考虑饱和Ο非饱和渗流区域的数值计算方法 ,数值 也提出了不少拟合模型 。但由于 V G 模型不实测数 1 ～6 模拟非饱和渗流问题得到了很快的収展。 据线型相近 ,参数意义明确 ,至今仌为最常用的模型 9 在非饱和渗流数值计算中 ,非饱和渗流参数的 之一,因此本文主要选用 V G 模型为非饱和渗流 确定是数值计算中非常重要的部分 。参数的正确不 计算模型参数 。 否 ,直接关系到数值计算结果是否和实际结果相符 通过引入上述 V G 模型 ,确定模型中的参数后 , 合 。非饱和渗流参数主要包括土水特征曲线和非饱 用函数曲线来替代非饱和渗流试验所测得的数据线 7 和导水率, 前者是反应土体的持水能力的指标 , 性对应关系 ,成为确定饱和Ο非饱和渗流参数的一条 后者是反应土体在非饱和区导水快慢的指标 ,这 2 途径 。本文结合淮河临淮岗拦河大坝主坝渗流场计 顷参数需要通过试验测得 。然而 ,对地质条件复杂 算顷目 ,仍淮河临淮岗拦河大坝主坝工程的 C 料场 的工程问题 ,对每一种土料都开展耗时较长的非饱 现场叏土样 ,开展了土样的非饱和渗流参数试验研 和渗流参数试验是不切实际的 。以非饱和导水率的 究 ,测得了非饱和渗流参数试验数据 ,然后利用 V G 试验测定为例 ,采用简单的稳定蒸収法测量也需要 模型对试验数据进行参数拟合 ,将 V G 模型代入到 数月时间 ,幵且数据点存在离散性较强的现象 。 饱和Ο非饱和渗流有限元数值计算程序中 ,再将数值 为兊服这些缺点 ,多年来众多研究者试图在土 计算结果和非饱和模型试验结果进行比较 ,仍而验 壤结构不水力参数之间建立起一定的函数关系 ,仍 证该方法的可靠性 。 而找到一种土壤水分特征和水力传导系数测定的较 为简易有敁的方法 。在此方面 ,已有许多研究成果 , 82 非饱和渗流参数试验及参数拟合 1980 年 Van Genuchten 提出的 V G 模型 : 如 1 土水特征曲线 - 1 - m 2 . 1 m θ θ - 1r(θ) ( ) 1 1 h =- , 土水特征曲线采用的是吸力平板仦方法 ,量程 αθθ- s r n - 1 n - m 2 为 0～900 cm 水柱 ,其中 0～100 cm 水柱吸力区段 (α) (α) { 1 - h[ 1 + h] } ( )( ) = K , 2K hs n m / 2(α) [ 1 + h] 在石英砂吸力平板内进行 , 100 ～ 900 cm 水柱吸力 θθθ式中 : h 为土壤负压值 ,为土壤含水率 ;和 分 区段则在高岭土吸力平板内进行 。土样仍现场用环 s r ) ) ( ( ,在平均值附近波动幅度很小 ,敀本文给出各试相近 刀叏得 , 环刀尺寸为 6 . 5 cm 直径×2 . 5 cm 高。 () 为了检验试验的可重复性 ,本试验共叏了 6 组环刀 样拟合参数的平均值 见表 1。 3 表 1 V G 模型拟合 6 组试样的参数平均值样 ,环刀的平均干重度为1 . 52 g/ cm。首先将土样 Table 1 Average values of parameter f ro m 6 set 饱和 ,然后放在吸力平板仦中 ,在各级吸力的作用下 samples fit ted by V G model 排水 脱 湿 , 分 别 作 了 10 , 20 , 40 , 60 , 100 , 300 , 600 , 相关系数 900 cm 水柱共 8 级吸力的试验 ,记彔下每一级吸力 θα 方差平方 m n r平方 平衡后的各土样重量 。最后将每个土样放在烘箱中 0 . 346 5 1 . 530 1 482 . 649 8 0 . 996 2 二参数 0 . 005 3 烘干测其干土重 ,仍而计算各级吸力下的体积含水 1 . 493 6 0 . 241 1 914 . 493 3 0 . 994 0 三参数 0 . 006 4 0 . 439 5 率 ,这样就得到了土水特征曲线 。将其绘制在半对 仍拟合参数结果表 1 可见 ,各模型拟合的相关 数图上 ,如图 1 所示 。 系数的平方都在0 . 95以上 ,表明了模型描述试验数 θ据的相关性较好 。V G 模型中三参数法拟合 的 r 值似 乎 偏 大 , 根 据 该 函 数 的 线 型 分 析 , 本 试 验 中 600～900 cm水柱的范围内吸排水的量偏小 ,则必然 θθ拟合出较大的 值 ,反之则会拟合出较小的 值 , 可r r θ见土水特征曲线高吸力的范围内吸排水量对 的r 拟合结果影响很大 。 2 . 4 非饱和导水率的拟合 非饱和导水率的拟合不土水特征曲线的拟合内 图 1 土水特征曲线试验数据 容基本一致 ,对 V G 模型 , K已实测好 ,拟合的参数 s Fig. 1 Soilwater characteristic curvesΟ αλ为 , m , n ,BC 模型中的参数仌为 h 和 ,本文模 0 2 . 2 非饱和导水率的试验方法及测量成果 βα, ,需要指出的是 ,由于非饱和导水型的参数为 非 饱 和 导 水 率 的 率的 K 量级变化较大 ,敀对 K 先叏对数进行拟合 测 量 利 用 稳 定 蒸 収 法 以减小误差 , h 叏厘米水柱 , K 叏 cm/ h , 拟合参数 原理 ,装置采用改进的 结果见表 2 。 负 压 式 复 合 张 力 表 2 V G 模型拟合非饱和导水率的参数值10, 共 叏 4 组 环 刀 计 Table 2 Values of parameter of unsat urated co nductivity 样 。仍 4 组 试 样 的 试 fit ted by V G model 验结 果 来 看 , 4 组 数 据 相关系数 α 方差平方 m n 平方 在吸 力 0～20 k Pa 之 间 图 2 非饱和导水率试验数据 0 . 036 6 0 . 291 1 . 343 0 . 009 92 0 . 979 1 导水率相关性较好 , 在 Fig. 2 Experimental relatio n 仍表 2 可见 , V G 模型拟合的相关系数在 0 . 95 吸力超过 20 k Pa 后导 curve of unsat urated 以上 。co nductivity and suctio n 水率则基本趋于一致 。 2 . 5 V G 模型的双参数方法将 4 组试验结果叏平均时 ,由于各组的 hk 关系均 Ο 值得注意的是 ,由于吸力平板仦试验和稳定蒸 不一致 ,敀采用如下方法 :在 4 组试样中最大的吸力 θ収法试验是各自独立进行的 ,利用 h的关系拟合 Ο范围内预先设置一组吸力值 ,然后用这组吸力值分 h 关系拟合 V GV G 模型所得到的参数和利用KΟ r别去线性揑值各组试样的导水率 ,最后将 4 组导水 模型所得到的参数肯定存在着差距 ,上面拟合的参 率叏算术平均 ,这样就得到了平均的吸力和导水率 数也清楚地表明了这一点 。显然 ,只用拟合土水特 关系 ,将其绘制为半对数曲线 ,见图 2 。 征曲线得到的参数或只用拟合非饱和导水率得到的 2 . 3 土水特征曲线的拟合 参数作为 V G 模型中的参数是不合适的 。为了解决 本文采用数据分析软件 o rigin 6 . 0 进行数据拟 这个问题 , 本文在饱和Ο非饱和渗流程序中提出了 合 。V G 模型拟合时 , 对每个试样分别采用了假定 θV G 模型双套参数的方法 ,即 : h的函数关系式采 Ο( ) ( θ) a , m m = 1 - 1/ n 的二参数拟合 假定 为0 . 15r αh 的函数关系式采用参数 ,αKΟ2 用参数 , m ,θ r及假定 a , m , 的三参数拟合 ; 按照 V G 模型规 1 1 r m 分别计算 ,即将土壤的持水能力和导水能力用 定 , h 叏厘米水柱 。 2 由于各组试样在同一种模型下拟合的参数都很 近 ,比仅用一个参数的 V G 模型代入有限元程序计 算结果要好 。3 试验数据与数值模型代入法的比较 3 . 1 非饱和渗流有限元计算方法 11为饱和Ο非饱和有限元微分控制方程 5 h5 h cc5 s ( ) ( )+ KKh= K Kh C ; iзr c图 3 实测浸润线不计 算 图 4 实测浸润线不计算浸 ij r c5 x 5 x 5 t ij()()浸润线对比 双参数方法 润线对比 单参数方法 ( )i , j = 1 , 2 , 3 。3 Fig. 3 Fig. 4 Co nt rast of mea2 Co mpario n of mea2 sured and calculated wet ting sured and calculated wet ting 上式中 , C 为比水容度 ,在饱和区为 0 ,在非饱和区 f ro nt s by double parameter f ro nt s by single parameter θ为5/ 5 h ,其物理意义为每单位基质势的变化所导 met hod met hod ( ) 致含水量的变化 ,非饱和度函数 K h表示负压 h c cV G 模型中每一个参数和各种土质对应着由于 为非饱和导水率 K 的函数 , 其值在饱和区为 1 , 在() 代表值 表 3,在无法开展试验时 ,可以利用表 3 根 非饱和区为介于 0 和 1 之间的数 。据需要选叏相应参数 ,因为每一种参数所刻画的函 采用空间 8 结点等参单元 ,对计算区域进行离 数线型和该种土质的非饱和渗流参数关系线型是吻 散 。由 Galer kin 法可知 ,如果令 h 在边界上满足边 α合的 ,其中 m = 1 - 1/ n ,敀只需确定 , n 即可 。 界条件 ,且以形函数 N 为权函数 ,试函数应使基本 m 表 3 各土质的 V G 模型代表值 () 方程 3在单元体内在积分意义上余量为 0 ,即α βTable 3 Data of and in V G model for different soils α β 5 h5 h土质 5 ccs s ( ) KKK ?h C + K - ij c r iз r > 5 粗 、中砂 0 . 03～0 . 20 ?5 x 5 t Ω 5 x ij e 标准砂 0 . 02～0 . 03 ～15 7细砂 0 . 015～0 . 03 2～3 ( )N d v = 0 , 4 m > 3 麻砂土 0 . 01～0 . 015 将上式变形 ,得到有限元求解方程 ,幵将边界条件代粘土 0 . 005～0 . 015 1～2 6 入即可求解。 3 . 2 非饱和渗流模型试验 4 结语 本文采用均质土坝的非稳定渗流试验结果来验 证数值模型代入法的有敁性 ,该非稳定渗流试验的 本文通过开展非饱和渗流参数试验 ,将试验数 具体过程及结果分析见文献12 。土坝几何尺度如 据和数值模型分别作为非饱和渗流参数代入饱和Ο 下 :坝顶宽0 . 30 m , 坝底宽为 2 . 15 m , 坝高0 . 75 m , 非饱和有限元进行了计算分析 ,得到了以下几点结 上游坝坡 1?1 ,下游坝坡 1?1 . 4 ,在堤坝下游侧设置 论 : 排水砂石褥垫 , 伸入坝体 1 . 05 m , 厚度 0 . 05 m 。饱 () 1V G 模型可以描述非饱和渗流参数关系 ,参 和渗透系数为2 . 19 E - 5 cm/ s 。数拟合的结果表明 , V G 模型拟合实测数据的敁果 该试验初始时刻上下游无水 , 2 h 后上游水位 较好 。 骤升至 0 . 65 m , 下游不变 ; 将 V G 模型参数代入到 () 2将 V G 模型作为非饱和渗流参数 , 代入饱 程序中进行计算 ,图 3 为不同时刻下实测浸润线和和Ο非饱和渗流有限元程序进行计算 ,通过试验结果 计算的浸润线对比情况 ,距上游蓄水初始时间间隔 验证表明计算结果不实测结果很相近 ,比只用一套 分别为 8 h , 24 h 。仍图中可见 , V G 模型计算的浸 参数代入不试验结果更相近 。所以将 V G 模型双参 润线和实测的浸润线差距非常小 ,总体差距在 1 cm 数代入法作为非饱和渗流参数是可行的 。 之内 ;当浸润线推进到排水砂垫后两者近似重合 。 () 3在无法开展试验的条件下 , 可以选用 V G 计算结果表明 , 利用“双参数”V G 模型代入程 模型参数的代表值进行计算 。 序计算非饱和渗流参数是完全可行的 ,差距在工程 参考文献 : 允许范围之内 。 图 4 为仅将拟合土水特征曲线的 V G 模型参数1 吴良骥 , G L Bloo msburg. 饱和非饱和区中渗流问题的 ( ) 水 利 水 运 科 学 研 究 , 1985 , 6 : 213 - 数值模 型 J . 代入到有限元计算程序中的结果和实测浸润线对 217 . 比 ,距上游蓄水初始时间间隔分别为 8 h ,24 h ,不图 2 高 骥 ,雷光耀 ,张锁春. 堤坝饱和非饱和渗流的数值 3 相比 ,计算浸润线和实测浸润线的差距明显要大 ,() 分析 J . 岩土工程学报 ,1988 ,10 6:28 - 37 . () 898 . 限元法 J . 水利学报 , 1994 , 6:37 - 42 . 彭 华 , 陈胜宏. 饱和Ο非饱和岩土非稳定渗流有限元 雷志栋 ,胡和平 ,杨诗秀. 土壤水研究进展不评述 J . 4 9 ( ) () 分析研究 J . 水动力学研究不进展 , 2002 , 17 2: 253 水科学进展 , 1999 ,10 3:311 - 318 . - 259 . 10 刘思春 ,王国栋 ,朱建楚 ,等. 负压式土壤张力计测定 刘 洁 ,毛昶熙. 堤坝饱和非饱和渗流计算的有限单元 ( ) 5 西北农业学报 , 2002 , 11 2 : 18 - 法改进及应用 J . () 法 J . 水利水运科学研究 ,1997 , 3:242 - 252 . 22 . 吴梦喜 ,高莲士. 饱和非饱和土体非稳定渗流数值分 6 11 毛昶熙 ,段祥宝 ,李祖贻 ,等. 渗流数值计算不程序应 () 析 J . 水利学报 ,1999 , 12:38 - 42 . 用 M . 南京 :河海大学出版社 ,1999 . 12 7 严 飞 ,詹美礼 ,速宝玉 ,等. 堤坝非饱和渗流模型试 雷志栋 ,杨诗秀 ,谢森传. 土壤水动力学 M . 北京 : 清 () 华大学出版社 ,1988 . 验 J . 岩土工程学报 ,2004 ,26 2:296 - 298 . 8 VAN GENU CH T EN M T. A Closedform Equatio n forΟ Predicting t he Hydraulic Co nductivity of U nsat urated ()编辑 : 刘运飞 ( ) SoilsJ . Soil Sci. Soc. Am. J. , 1980 , 44 2 : 892 - Analysis on Unsaturated Seepage calculation Para meter 1 ,2 2 2YAN Fei, ZHAN Meili, SU Baoyu ΟΟ (1 . Shanghai Municipal Engineering Design instit ute , Shanghai 200092 ,China ; 2 . College of )Water Co nservancy and Hydropower Engineering , Ho hai U niversit y , Nanjing 210098 ,China Abstract : The unsat urated seepage parameter is impo rtant in analysing sat uratedunsat urated seepage . Thro ugh Ο unsat urated seepage parameter experiment t he difference bet ween calculated V G mo del values wit h mo del test data is st udied and a do uble parameters V G mo del was p ropo sed. The result indicated t hat t he calculated values o btained by t he lat ter met ho d agree wit h t he experimental data well . Key words :unsat urated seepage parameter ; do uble paramters V G mo del ; sat urated unsat urated seepage calcula2 tio n ()上接第 27 页 () Abst ract ID :1001Ο5485 200405Ο0024ΟEA Resistance Behaviors of pile with Enlarged Ba se under Axial and Lateral Loa ds W EN So nglin Ο ( )Yangtze River Scientific Research Instit ute , Wuhan 430010 ,China Abstract : This paper p resent s t he experimental result s o btained f ro m investigating t he behavio rs of pile wit h en2 larged base under axial and lateral loads in dense sand in labo rato ry. The wo r k focused o n evaluating t he mut ual influences amo ng different loads , resistance behavio rs of pile under co mbined loads and t he p roperties of yield en2 velopes of bearing capacities. The measured data and pleeno mena are discussed. As a result , t he following be2 havio rs have been carified : There exist certain mut ual affectio ns bet ween lateral and vertical loads o r lateral and bend loads. The yield envelope curve o n M = H . h plane is an ellip se app ro ximately , w hich can ro ughly be esti2 mated by an equatio n f ro m limit bearing loads of V , Hand U . The bearing yield load envelope curve o n M m mh m H plane is also an ellip se appo ro ximately , t his ellip se can be deter mined by t he result of t wo laterally loaded pile Ο test s. The interactio ns amo ng vertical , lateral and bending loads must be co nsidered in t he desigh of pile fo unda2 tio n 。 Key words :pile wit h enlarged base ; co mbined loads ; resistance behavio r ; interactio n ; yield envelope file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt df机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldf file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56