非饱和土力学.ppt

2009年4月 非饱和土力学 三峡大学张华zhanghua 地质灾害防治研究院 2 第6章非饱和渗流 流动定律 6 1 水相流动控制方程 6 2 稳定流 6 3 非稳定流 6 4 6 1流动定律 地质灾害防治研究院 4 6 1流动定律 非饱和土中的流动问题 气相连续 气相封闭 气相在水中扩散 地质灾害防治研究院 5 6 1流动定律 非饱和土中的流动问题 气相连续 气相封闭 气相在水中扩散 地质灾害防治研究院 6 6 1流动定律 水相流动驱动势能 重力能 总驱动能 压力能 或 速度能 地质灾害防治研究院 7 6 1流动定律 重力能 总驱动能 压力能 速度能 地质灾害防治研究院 8 6 1流动定律 水相流动驱动势能 如果流速比较小 在速度水头可以忽略 总水头 压力水头 地质灾害防治研究院 9 6 1流动定律 水相流动驱动势能 水相从A点流向B点 尽管A点处于非饱和区 B点处于饱和区 地质灾害防治研究院 10 6 1流动定律 Darcy定律 Darcy slawdescribestheflowofwaterthroughanunsaturatedsoil However thecoefficientofpermeabilityinanunsaturatedsoilneednotbeaconstant 饱和区k是常数 非饱和区k是吸力的函数 地质灾害防治研究院 11 6 1流动定律 气相流动驱动势能 一般来说 气相流动只受浓度或压力梯度控制 位置梯度可以忽略不计 Fick定律可以用于描述多孔介质中的气相流动 Ja是单位面积的气相质量流量 Da是气相传导常数 C是气相浓度 地质灾害防治研究院 12 6 1流动定律 气相流动驱动势能 Fick定律可以写为 于是Fick定律形式上与Darcy定律相同 地质灾害防治研究院 13 6 1流动定律 气相扩散 气相在水相中的扩散有浓度梯度控制 可以用Fick定律描述 y方向气相扩散质量速率 6 2水相流动控制方程 6 2 1稳定流和非稳定流 6 2 2有限元方程 地质灾害防治研究院 15 6 2水相流动控制方程 流进流出量 源汇项 含水量变化 非稳定流控制方程 Richards方程 地质灾害防治研究院 16 6 2水相流动控制方程 非稳定流控制方程 Richards方程 于是 地质灾害防治研究院 17 6 2水相流动控制方程 非稳定流控制方程 Richards方程 由于y不随时间变化 则Richards方程可写成 对于饱和土kx和ky为饱和渗透系数 mw为释水系数 对于非饱和土kx和ky为总水头uw的函数 需要引入渗透性函数 mw为含水量随孔隙水压力的变化 需要引入土水特征曲线 地质灾害防治研究院 18 6 2水相流动控制方程 稳定流控制方程 当含水量不随时间变化时 Richards方程右端项消失 从而总水头H变量不随时间变化 于是得到稳定流控制方程 对于饱和土kx和ky为饱和渗透系数 对于非饱和土kx和ky为总水头uw的函数 需要引入渗透性函数 地质灾害防治研究院 19 6 2水相流动控制方程 定解条件 非稳定流 稳定流 3初始条件 1边界条件 2材料参数 土水特征曲线 渗透性函数 地质灾害防治研究院 20 6 2水相流动控制方程 有限元方程 地质灾害防治研究院 21 6 2水相流动控制方程 有限元方程 非稳定流 稳定流 非稳定流时间后差格式 地质灾害防治研究院 22 6 2水相流动控制方程 有限元方程 渗透系数张量 地质灾害防治研究院 23 6 2水相流动控制方程 有限元方程 渗透系数张量 如果kx与x轴夹角为0 则 地质灾害防治研究院 24 6 2水相流动控制方程 有限元方程 mw由土水特征曲线斜率来估算 mw根据t0时刻uw0和t1时刻uw1来计算dt时步内含水率随孔隙水压力的变化 6 3稳定流 地质灾害防治研究院 26 6 3稳定流 稳定入渗 当入渗和蒸发为零时 稳定孔隙水压力剖面应该为静水压分布 即任意两点之间dH 0 静水压分布线 地质灾害防治研究院 27 6 3稳定流 一维稳定降雨入渗 当非饱和土表面降雨为q时 孔隙水压力增大 表层过渡区uw近似为常数 q越大 稳定uw越大 过渡区 地质灾害防治研究院 28 6 3稳定流 当降雨强度为q时 表层过渡区稳定孔隙水压力近似为渗透性函数上q对应的uw值 渗透性函数 q uw 一维稳定降雨入渗 地质灾害防治研究院 29 6 3稳定流 Kisch 1959 方法 Darcy定律 总水头 地下水位面处 dh dz q ksat 1 地下水位面以上 k逐渐减小 dh dz逐渐增大 当k q时 dh dz 0 即过渡区uw为常数 一维稳定降雨入渗 z方向与流动方向相反 地质灾害防治研究院 30 6 3稳定流 一维稳定蒸发 q 1 0e 9 静水压力线 流速 地质灾害防治研究院 31 6 3稳定流 土坝稳定渗流 水头边界条件H 40ft 排水垫层 溢出面边界 浸润线uw 0 饱和区 非饱和区 地质灾害防治研究院 32 6 3稳定流 坝基稳定渗流 水头边界条件H 60ft 水头边界条件H 40ft 饱和区 坝基渗流流网 地质灾害防治研究院 33 6 3稳定流 土坝心墙稳定渗流 水头边界条件H 40ft 水平排水层H 0ft 饱和区 非饱和区 浸润线uw 0 心墙渗透系数是土坝的1 100 地质灾害防治研究院 34 6 3稳定流 砂槽稳定降雨入渗 水头边界条件H 0 3m 粗砂 饱和区 非饱和区 浸润线uw 0 粗砂 细砂 q 3 0e 5m day ksat 1 0e 3m day ksat 1 0e 3m day ksat 1 0e 5m day 6 4非稳定流 地质灾害防治研究院 36 4 3非稳定流 一维砂土积水入渗 初始孔隙水压力 孔隙水压力剖面随时间变化 细砂土的饱和渗透系数为4 3 10 6米 秒 即随着水分的入渗 土坡中吸力降低 湿润锋从地表处逐渐向土坡深部推进 地质灾害防治研究院 37 4 3非稳定流 水库快速排水 水头边界条件H随t变化 浸润线快速下降 水头边界条件H 0 地质灾害防治研究院 38 4 3非稳定流 水库快速蓄水 水头边界条件H随t变化 浸润线快速上升 水头边界条件H 0 地质灾害防治研究院 39 4 3非稳定流 水库快速蓄水 水头边界条件H随t变化 浸润线