滲流研究綜述

戰(zhàn)曉林　付俊峰　王海軍

摘 要：文章簡要介紹了滲流定義以及比較常用的幾種處理滲流場的數(shù)值模擬方法，并著重介紹及其原理、使用優(yōu)點；并給出工程應(yīng)用各個方面的意義及所取得的成果；對未來滲流研究的展望。

關(guān)鍵詞：滲流；有限元；固定網(wǎng)格法；滲流場預(yù)測

1 概述

滲流是指流體在空隙介質(zhì)中的流動，滲流力學(xué)作為流體力學(xué)的一個分支，與巖土力學(xué)及水力學(xué)是密不可分的。滲流研究在石油開采、排水灌溉、水文地質(zhì)、地下水開發(fā)等領(lǐng)域也有十分重要的意義。目前處理滲流問題的主要方法有解析解法、電模擬試驗法和數(shù)值解法，由于許多流場的邊界條件以及范圍等參數(shù)需要事先假定，很難得到準(zhǔn)確的解析解。所以現(xiàn)在多采用數(shù)值計算和試驗研究相結(jié)合的方法，其中有限元法、有限差分法、邊界元法，自由網(wǎng)格法等近些年都得到了廣泛深入的發(fā)展，對工程防滲起到了積極作用。這些方法在滲流其他領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

2 滲流研究現(xiàn)狀

近年來，由于計算機技術(shù)水平的提高以及試驗方法的不斷改進(jìn)，許多基于滲流研究的新方法新措施已成功應(yīng)用于工程實踐，取得了階段性成果。

2.1 方法措施

由于變網(wǎng)格法在處理復(fù)雜夾層及排水系統(tǒng)時流場模擬比較困難，而且容易造成網(wǎng)格變形，所以目前處理滲流問題應(yīng)用較多的是固定網(wǎng)格法，采用這種方法在計算過程中網(wǎng)格形狀不變，大大提高了計算的精度。無網(wǎng)格法也是現(xiàn)在比較新型的滲流計算方法，其基本原理是用計算域上一些離散的點通過移動最小二乘法來擬合場函數(shù)[1]，主要應(yīng)用于具有自由表面的滲流，以模擬退火法和廣泛概率勞埃德法為基礎(chǔ)的概率算法來分析滲流[2]。由于邊界元法相對于其他幾種方法需要做更多的數(shù)學(xué)變換，并且在處理復(fù)雜邊界幾何形狀時變得非常復(fù)雜；以單元為基礎(chǔ)的劃分方法對于形狀及類型非常敏感，通常需要自動生成網(wǎng)格。

最近出現(xiàn)的自由網(wǎng)格法，用自由節(jié)點分布在物理區(qū)域代替網(wǎng)格，以半徑函數(shù)為基礎(chǔ)的微積方法RBF-DQ（2003年首次提出）有效解決了這些問題[3]。在處理無約束滲流問題時，采用傳統(tǒng)的有限單元法每次迭代計算都要更新網(wǎng)格，網(wǎng)格的質(zhì)量和節(jié)點的連通性都會對結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，采用自然單元法和遺傳算法根據(jù)能量守恒定律確定目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化了計算過程[4]。

三維邊界元法用來分析滲流多領(lǐng)域各向異性的介質(zhì)、水力傳導(dǎo)張量的特征值和特征向量，通過閉合的坐標(biāo)的各向異性矩陣將各向異性介質(zhì)的二次滲流控制方程轉(zhuǎn)換成拉普拉斯方程，進(jìn)而可以在改變了的空間用標(biāo)準(zhǔn)的邊界元法通過增加或減少很少的程序來分析滲流，與有限元法得到的結(jié)果基本一致[5]。

復(fù)合單元法被用來計算不連續(xù)巖體的滲流，其基本原理是如果元素包含一個或多個不連續(xù)部分，作為復(fù)合單元具有定義在節(jié)點的流速勢，根據(jù)變分原理確定控制方程，可以在復(fù)合元素節(jié)點求得未知的勢函數(shù)，這一方法的好處是計算網(wǎng)格的生成不受數(shù)量、位置以及不連續(xù)方向的約束，簡化了計算[6]。

有資料表明，非達(dá)西滲流在工程領(lǐng)域也是普遍存在的，福希海默（Forchheimer）1901年提出非達(dá)西滲流基本公式：

i=AV+BV2

A，B是與顆粒形狀、粒徑、孔隙率和流體性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。如果把顆粒空隙通道抽象為空隙管道，顆粒的大小用當(dāng)量直徑DS來反映，則上式可表示為：

上式中A、B、C均為與顆粒形狀、大小、孔隙率、流體粘性有關(guān)的常數(shù)。

陳永敏等通過人造膠結(jié)巖芯和砂巖儲層巖芯經(jīng)過多次試驗也模擬出不同稠度油的滲流曲線，充分證明了流體在低速滲流時表現(xiàn)出非線性[7]。

目前無論是解析計算還是數(shù)值計算，都取得到了很多成果，但是大多數(shù)都是基于對非達(dá)西滲流模型的多孔介質(zhì)進(jìn)行簡化得到的，而在實際工程中多數(shù)是不能簡化的，對這方面的研究還有待于深入。

2.2 工程應(yīng)用

滲流侵蝕往往會給工程建筑帶來破壞，為了有效的預(yù)防，需要建立穩(wěn)定性試驗?zāi)Ｐ停F(xiàn)有的土沙輸送侵蝕模型往往忽略了滲流侵蝕的三維幾何形狀和土壤的粘結(jié)特性，M·L·Chu-Agor等開發(fā)了一種以試驗為依據(jù)的土沙輸送函數(shù)，通過包含一些水力、土壤、邊坡和表觀密度，以時間為基礎(chǔ)的三維土壤塊體試驗。可以預(yù)測滲流破壞及掏蝕[8]。

另外，虛功法也被應(yīng)用到地震時滲流作用下土壤的被動抵抗力計算，考慮壩體填筑期間兩種獨立的水流運動工況，確定關(guān)鍵性的排列，經(jīng)過改進(jìn)得到了簡化了的方程，進(jìn)而得到地震被動的土壤壓力系數(shù)，再經(jīng)過對一系列參變量的研究，使工程設(shè)計者能夠了解滲流是怎樣影響地震時土壤被動抵抗力[9]。垃圾掩埋場的瀝出物通常富含砷和銫等元素，通過對瀝出物滲流的研究可以使人們清楚的預(yù)測土壤的污染范圍以及在各種條件下隨時間的弱化程度，這方面的研究目前正在深入[10]。

為了分析飽和巖石邊坡的穩(wěn)定性，采用了運動學(xué)的極限分析法，重點關(guān)注在孔隙水壓力作用下整體地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，滲流力是怎樣通過從多余的孔隙水壓力分布梯度中導(dǎo)出并起作用的，這可以用來解決水力邊界值問題，結(jié)合外部荷載進(jìn)行穩(wěn)定性分析，巖石的強度特性通過改進(jìn)的胡克-布朗準(zhǔn)則來分析，進(jìn)而導(dǎo)出閉合的支撐方程。這種方法可以很好的分析巖石邊坡的穩(wěn)定性[11]。

波浪可以引起海床的滲流，進(jìn)而對近岸建筑物造成破壞，采用暫態(tài)滲流方程對橢圓余弦波進(jìn)行研究，給出海床界定厚度的孔隙壓力，通過對參變量的分析找出孔隙水含氣量產(chǎn)生的影響和滲流作用下土壤的滲透性，研究表明，含氣量和滲透性可以對孔隙壓力產(chǎn)生很大的影響，增加含氣量或減少土壤的滲透性都將明顯增大空隙壓力梯度，引起空隙壓力劇烈變化，聯(lián)合橢圓余弦波作用下海床的流速勢可以得出土壤的剪切模量和泊松常數(shù)對暫態(tài)滲流方程及Biot方程差異性的影響，其中暫態(tài)滲流方程為Biot方程的極限形式[12]。

滲流研究的成果也被應(yīng)用到石油勘探領(lǐng)域，了解具有斷裂巖石結(jié)構(gòu)的地下滲流場是石油開采的第一步，此類滲流往往為各向異性并且受結(jié)構(gòu)帶分布的影響，通過模型模擬這種地質(zhì)結(jié)構(gòu)和單孔水壓試驗經(jīng)過分析可以得到最初的各向異性滲透性，進(jìn)而可以掌握開發(fā)及運作階段滲流場的變化，所得到的地下水位及豎向水力坡度與實際工程中實測值基本一致，盡管在兩個階段的分布有所不同[13]。煤和煤氣的爆炸是煤礦開采時發(fā)生的極其復(fù)雜的地質(zhì)動力現(xiàn)象，嚴(yán)重的危害人身安全和財產(chǎn)安全，主要原因是煤和煤氣相互作用引起地應(yīng)力、氣壓、物理化學(xué)變化而導(dǎo)致災(zāi)難的發(fā)生，在采礦過程中，巖石原始壓力及氣壓被改變，并重新分布，采用三維滲流伺服控制儀通過試驗可以得到煤氣滲流的作用機理，從而預(yù)防災(zāi)難的發(fā)生[14]。

3 結(jié)束語

滲流是影響工程建筑安全重要因素之一，越來越多的引起了人們的重視，越來越多的新理論、新計算方法已經(jīng)應(yīng)用于工程實踐，并取得了一定成果，今后這方面的研究還將不斷深入，有著廣泛的前景。在防滲排滲方面，許多新型監(jiān)測手段被用于大壩安全監(jiān)測，如光纖傳感器等，不僅節(jié)約了成本，而使且信息反饋更加快捷準(zhǔn)確，人們能夠更早發(fā)現(xiàn)大壩的安全隱患，并相應(yīng)采取措施。近些年來，一些新型材料應(yīng)用于預(yù)防滲流，雖然處于摸索階段，但是已經(jīng)取得了一定的經(jīng)濟效益，對這方面的研究也將不斷深入。

參考文獻(xiàn)

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[12]Y.-F. Xu，J.-H. Wang，J.-J. Chen. Cnoidal water wave induced seepage in a permeable seabed with a defined thickness [J] .Coastal Engineering，2013（80）：95-99.

[13]C. Yu， S.C. Deng，H.B. Li，J.C. Li，X. Xia.The anisotropic seepage analysis of water-sealed underground oil storage caverns [J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2013（38）：26-37.

[14]S.J. Peng ，J. Xu，H.W. Yang，D. Liu.Experimental study on the influence mechanism of gas seepage on coal and gas outburst disaster[J].Safety Science， 2012（50）：816-821.

作者簡介：戰(zhàn)曉林（1977-），男，昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院水利工程專業(yè)碩士研究生。

王海軍，昆明理工大學(xué)，教授，碩士生導(dǎo)師。

通訊作者：付俊峰（1978-），男，碩士生導(dǎo)師，昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院。

3 結(jié)束語

滲流是影響工程建筑安全重要因素之一，越來越多的引起了人們的重視，越來越多的新理論、新計算方法已經(jīng)應(yīng)用于工程實踐，并取得了一定成果，今后這方面的研究還將不斷深入，有著廣泛的前景。在防滲排滲方面，許多新型監(jiān)測手段被用于大壩安全監(jiān)測，如光纖傳感器等，不僅節(jié)約了成本，而使且信息反饋更加快捷準(zhǔn)確，人們能夠更早發(fā)現(xiàn)大壩的安全隱患，并相應(yīng)采取措施。近些年來，一些新型材料應(yīng)用于預(yù)防滲流，雖然處于摸索階段，但是已經(jīng)取得了一定的經(jīng)濟效益，對這方面的研究也將不斷深入。

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作者簡介：戰(zhàn)曉林（1977-），男，昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院水利工程專業(yè)碩士研究生。

王海軍，昆明理工大學(xué)，教授，碩士生導(dǎo)師。

通訊作者：付俊峰（1978-），男，碩士生導(dǎo)師，昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院。

3 結(jié)束語

滲流是影響工程建筑安全重要因素之一，越來越多的引起了人們的重視，越來越多的新理論、新計算方法已經(jīng)應(yīng)用于工程實踐，并取得了一定成果，今后這方面的研究還將不斷深入，有著廣泛的前景。在防滲排滲方面，許多新型監(jiān)測手段被用于大壩安全監(jiān)測，如光纖傳感器等，不僅節(jié)約了成本，而使且信息反饋更加快捷準(zhǔn)確，人們能夠更早發(fā)現(xiàn)大壩的安全隱患，并相應(yīng)采取措施。近些年來，一些新型材料應(yīng)用于預(yù)防滲流，雖然處于摸索階段，但是已經(jīng)取得了一定的經(jīng)濟效益，對這方面的研究也將不斷深入。

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作者簡介：戰(zhàn)曉林（1977-），男，昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院水利工程專業(yè)碩士研究生。

王海軍，昆明理工大學(xué)，教授，碩士生導(dǎo)師。

通訊作者：付俊峰（1978-），男，碩士生導(dǎo)師，昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院。