渗流研究综述

　　摘要：文章简要介绍了渗流定义以及比较常用的几种处理渗流场的数值模拟方法，并着重介绍及其原理、使用优点；并给出工程应用各个方面的意义及所取得的成果；对未来渗流研究的展望。

　　关键词：渗流；有限元；固定网格法；渗流场预测

　　1概述

　　渗流是指流体在空隙介质中的流动，渗流力学作为流体力学的一个分支，与岩土力学及水力学是密不可分的。渗流研究在石油开采、排水灌溉、水文地质、地下水开发等领域也有十分重要的意义。目前处理渗流问题的主要方法有解析解法、电模拟试验法和数值解法，由于许多流场的边界条件以及范围等参数需要事先假定，很难得到准确的解析解。所以现在多采用数值计算和试验研究相结合的方法，其中有限元法、有限差分法、边界元法，自由网格法等近些年都得到了广泛深入的发展，对工程防渗起到了积极作用。这些方法在渗流其他领域也得到了广泛的应用。

　　2渗流研究现状

　　近年来，由于计算机技术水平的提高以及试验方法的不断改进，许多基于渗流研究的新方法新措施已成功应用于工程实践，取得了阶段性成果。

　　2.1方法措施

　　由于变网格法在处理复杂夹层及排水系统时流场模拟比较困难，而且容易造成网格变形，所以目前处理渗流问题应用较多的是固定网格法，采用这种方法在计算过程中网格形状不变，大大提高了计算的精度。无网格法也是现在比较新型的渗流计算方法，其基本原理是用计算域上一些离散的点通过移动最小二乘法来拟合场函数[1]，主要应用于具有自由表面的渗流，以模拟退火法和广泛概率劳埃德法为基础的概率算法来分析渗流[2]。由于边界元法相对于其他几种方法需要做更多的数学变换，并且在处理复杂边界几何形状时变得非常复杂；以单元为基础的划分方法对于形状及类型非常敏感，通常需要自动生成网格。

　　最近出现的自由网格法，用自由节点分布在物理区域代替网格，以半径函数为基础的微积方法RBF-DQ（2003年首次提出）有效解决了这些问题[3]。在处理无约束渗流问题时，采用传统的有限单元法每次迭代计算都要更新网格，网格的质量和节点的连通性都会对结果产生很大的影响，采用自然单元法和遗传算法根据能量守恒定律确定目标函数，优化了计算过程[4]。

　　三维边界元法用来分析渗流多领域各向异性的介质、水力传导张量的特征值和特征向量，通过闭合的坐标的各向异性矩阵将各向异性介质的二次渗流控制方程转换成拉普拉斯方程，进而可以在改变了的空间用标准的边界元法通过增加或减少很少的程序来分析渗流，与有限元法得到的结果基本一致[5]。

　　复合单元法被用来计算不连续岩体的渗流，其基本原理是如果元素包含一个或多个不连续部分，作为复合单元具有定义在节点的流速势，根据变分原理确定控制方程，可以在复合元素节点求得未知的势函数，这一方法的好处是计算网格的生成不受数量、位置以及不连续方向的约束，简化了计算[6]。

　　有资料表明，非达西渗流在工程领域也是普遍存在的，福希海默（Forchheimer）1901年提出非达西渗流基本公式：

　　i=AV+BV2

　　A，B是与颗粒形状、粒径、孔隙率和流体性质有关的常数。如果把颗粒空隙通道抽象为空隙管道，颗粒的大小用当量直径DS来反映，则上式可表示为：

　　上式中A、B、C均为与颗粒形状、大小、孔隙率、流体粘性有关的常数。

　　陈永敏等通过人造胶结岩芯和砂岩储层岩芯经过多次试验也模拟出不同稠度油的渗流曲线，充分证明了流体在低速渗流时表现出非线性[7]。

　　目前无论是解析计算还是数值计算，都取得到了很多成果，但是大多数都是基于对非达西渗流模型的多孔介质进行简化得到的，而在实际工程中多数是不能简化的，对这方面的研究还有待于深入。

　　2.2工程应用

　　渗流侵蚀往往会给工程建筑带来破坏，为了有效的预防，需要建立稳定性试验模型，现有的土沙输送侵蚀模型往往忽略了渗流侵蚀的三维几何形状和土壤的粘结特性，M·L·Chu-Agor等开发了一种以试验为依据的土沙输送函数，通过包含一些水力、土壤、边坡和表观密度，以时间为基础的三维土壤块体试验。可以预测渗流破坏及掏蚀[8]。

　　另外，虚功法也被应用到地震时渗流作用下土壤的被动抵抗力计算，考虑坝体填筑期间两种独立的水流运动工况，确定关键性的排列，经过改进得到了简化了的方程，进而得到地震被动的土壤压力系数，再经过对一系列参变量的研究，使工程设计者能够了解渗流是怎样影响地震时土壤被动抵抗力[9]。垃圾掩埋场的沥出物通常富含砷和铯等元素，通过对沥出物渗流的研究可以使人们清楚的预测土壤的污染范围以及在各种条件下随时间的弱化程度，这方面的研究目前正在深入[10]。

　　为了分析饱和岩石边坡的稳定性，采用了运动学的极限分析法，重点关注在孔隙水压力作用下整体地质结构稳定性，渗流力是怎样通过从多余的孔隙水压力分布梯度中导出并起作用的，这可以用来解决水力边界值问题，结合外部荷载进行稳定性分析，岩石的强度特性通过改进的胡克-布朗准则来分析，进而导出闭合的支撑方程。这种方法可以很好的分析岩石边坡的稳定性[11]。

　　波浪可以引起海床的渗流，进而对近岸建筑物造成破坏，采用暂态渗流方程对椭圆余弦波进行研究，给出海床界定厚度的孔隙压力，通过对参变量的分析找出孔隙水含气量产生的影响和渗流作用下土壤的渗透性，研究表明，含气量和渗透性可以对孔隙压力产生很大的影响，增加含气量或减少土壤的渗透性都将明显增大空隙压力梯度，引起空隙压力剧烈变化，联合椭圆余弦波作用下海床的流速势可以得出土壤的剪切模量和泊松常数对暂态渗流方程及Biot方程差异性的影响，其中暂态渗流方程为Biot方程的极限形式[12]。

　　渗流研究的成果也被应用到石油勘探领域，了解具有断裂岩石结构的地下渗流场是石油开采的第一步，此类渗流往往为各向异性并且受结构带分布的影响，通过模型模拟这种地质结构和单孔水压试验经过分析可以得到最初的各向异性渗透性，进而可以掌握开发及运作阶段渗流场的变化，所得到的地下水位及竖向水力坡度与实际工程中实测值基本一致，尽管在两个阶段的分布有所不同[13]。煤和煤气的爆炸是煤矿开采时发生的极其复杂的地质动力现象，严重的危害人身安全和财产安全，主要原因是煤和煤气相互作用引起地应力、气压、物理化学变化而导致灾难的发生，在采矿过程中，岩石原始压力及气压被改变，并重新分布，采用三维渗流伺服控制仪通过试验可以得到煤气渗流的作用机理，从而预防灾难的发生[14]。

　　3结束语

　　渗流是影响工程建筑安全重要因素之一，越来越多的引起了人们的重视，越来越多的新理论、新计算方法已经应用于工程实践，并取得了一定成果，今后这方面的研究还将不断深入，有着广泛的前景。在防渗排渗方面，许多新型监测手段被用于大坝安全监测，如光纤传感器等，不仅节约了成本，而使且信息反馈更加快捷准确，人们能够更早发现大坝的安全隐患，并相应采取措施。近些年来，一些新型材料应用于预防渗流，虽然处于摸索阶段，但是已经取得了一定的经济效益，对这方面的研究也将不断深入。