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渗流分析模块

软件允许用户分析岩土体中稳定流或非稳定流。非稳定流分析可以得到孔隙水压力(压力水头)和土体饱和度随时间的变化。达到稳定流所需要的时间即为达到孔隙水压力不再变化的时间。该时间和土体的渗透性(渗透系数、和土壤水分特征曲线相关的参数 – 土壤含水量或饱和度与土壤吸力或负孔隙水压力之间的关系曲线)以及所要分析的问题类型(例如,承压流/非承压流)有关。当进行稳定流分析时,每个工况阶段的渗流分析都是相互独立的。当进行非稳定流分析时,分析过程类似于应力应变分析,每个工况阶段之间都是相互影响的。同样的,和应力应变分析中第一工况阶段必须用于分析初始地应力场一样,非稳定流分析的第一工况阶段必须用于设置渗流分析的初始条件,即饱和土(正孔隙水压力)或非饱和土(负孔隙水压力 – 吸力)在分析开始时的初始孔隙水压力(压力水头)和饱和度。得到非稳定流分析的初始条件后,接下来的工况阶段需要设置各个工况阶段的持续时间以及加载历史(水力边界条件随时间的变化关系)。在当前版本的软件中,用户可以在当前工况阶段开始时一次性改变渗流边界条件,也可以在整个工况阶段的持续时间内线性改变渗流边界条件。

无论稳定流分析还是非稳定流分析,软件都可以计算得到非饱和带的渗流情况。只有地下水位以下的渗流才是饱和渗流,地下水位以上的渗流为非饱和渗流。软件中提供了三种非饱和土材料模型来模拟非承压流问题:Log-线性模型Gardner模型van Genuchten非线性模型。对于非稳定流分析,我们建议采用van Genuchten模型,因为该模型可以更真实地模拟土体的土壤水分特征曲线。由于材料模型的选择对初始条件(初始饱和度)的计算有影响,所以软件不允许在接下来的工况阶段中改变材料模型(“指定材料”界面不可用)。同样的道理,接下来的工况阶段中也不可以改变模型的几何尺寸(“激活/冻结分区”界面不可用)。

对于非稳定流分析,必须先在第一工况阶段设置初始时刻(t = 0)的孔隙水压力(压力水头),特别是地下水位以上非饱和带(毛细吸力区)的孔隙水压力(负孔隙水压力)。软件提供了三种用于设置非饱和带孔隙水压力分布的方法:采用稳定流分析结果;输入地下水位,并假设非饱和带的毛细吸力等值线分布由p = -γwz确定,其中z为等值线到当前地下水位的距离;输入孔隙水压力等值线,即通过直接输入负的孔隙水压力来指定毛细吸力的初始值。在解决实际问题时,我们建议不要输入小于-10m的负压力水头hp(负孔隙水压力p > -100kPa),特别是在粗颗粒土中。例如,对于砂性土,当hp < -1m时,其水土特征曲线几乎是竖直的,这时,即使负压力水头变化很大,土体的饱和度也没什么变化,同样的,相对渗透率Kr(非饱和带有效渗透率和绝对渗透率(饱和带渗透率)之比)也没什么变化。可惜的是,并没有一个适用于所有土体的最小负压力水头设置标准,因为,对于细颗粒土,该值可能是负的好几百米,而对于粘性土,该值甚至可以达到负的上千米。

在第一工况阶段中分析得到初始孔隙水压力的分布后,在下一个工况阶段中,首先需要定义点渗流边界条件线渗流边界条件,然后再对该工况阶段进行分析。

岩土体内可以使用梁单元接触面单元分析结果包括孔隙水压力(压力水头)和总水头的分布,水流的速度和方向,饱和度,相对渗透率,毛细吸力,以及流入或流出岩土体的总水量。

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