饱和-非饱和土渗流数值分析方法综述
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建 筑 技 术
Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
第 ４７卷第 ５期 ２０１６年 ５月
Ｖ＿ ０ｌ＿４７ Ｎｏ．５ Ｍ ａｖ．２０１６
饱和 一非饱和 土渗流数值分 析方法综述
王成华 ， 张燕青
（天津大学建筑工程学院 ，３０００７２，天津 ）
摘 要 ：饱和 一非饱和渗流是岩土工程中最常见的 问题之一 ，国内外针对这 －ｆ￣ ｑ题进行了大量 的数值 分析 研究 。通过对饱和 一非饱和渗流数值分析研究进行总结 ，从渗流分析模型与方法 、非饱和土的渗透特性 、 初始条件以及非饱和土降雨入渗边界条件四个方面介绍了饱和 一非饱和渗流数值分析 的研究现状 ，讨论 了现 有分析方法存在 的问题 。在 目前普遍考虑单相流的情况下 ，应该重视气相 的影响 ；重视非饱和渗透特性 的确 定 ，研究数值拟合 中各参数 的合理取值 ，同时注 重非饱和渗透特 眭的实验量测 ；为提高饱和 一非饱和渗流数 值分析 的准确性 ，应该重视提出符合实际 的初始孔压场 ，提出合理 的边界条件 。
以下的饱和区内的渗流，而忽略了非饱和区内的渗流 ， 和方法已经比较成熟 ，但饱和 一非饱和渗流控制方程
．
Ｋ ｅｙｗ ｏｒｄｓ： ｓａｔｕ ｒａｔｅｄ－ｕｎｓａｔｕ ｒａｔｅｄ ｓｅｅｐａｇｅ； ｔｈｅ ｐｅｒｍ ｅａｂｉｌｉｔｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ； ｉｎｉｔｉａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ； ｂｏｕｎｄａｒ ｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ； ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
岩土工程中的渗流问题所涉及的多为饱和 一非饱
，
ｔｈｅ ｐｅｒｍ ｅａｂｉｌｉｔｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｏｉｌ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａＵ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ，
ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｏｉｌ． Ｉｔ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍ ｅｔｈｏｄｓ． Ｉｔ ｗａｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ｍ ｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｐａｉｄ ｔｏ ｔｈｅ ｉｍ ｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ ｐｈａｓｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｗａｓ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｉｎ ｓａｔｕｒａｔｅｄ．ｕｎｓａｔｕ ｒａｔｅｄ ｓｏｉｌｓ； ｍ ｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｐａｉｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍ ｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｍ ｅａｂｉｌｉｔｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｕｎｓａｔｕ ｒａｔｅｄ ｓｏｉｌ ｔｏ
，
ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒａｍ ｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ｆｉｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔａｌ ｍ ｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒ ｍ ｅａｂｉｌｉｔｙ ｃｈａ ｒ ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ； ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｎｕｍ ｅｒｉｃａ１ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｅｅｐａｇｅ ｉｎ ｓａｔｕｒａｔｅｄ－ ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｏｉｌｓ，ｍ ｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｐａｉｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍ ｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅ １ｎｉｔｉａｌ ｐｏｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｔｏ ｐｒｏｐｏｓｅ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ
关键词 ：饱和 一非饱和渗流 ；渗透特性 ； 初始条件 ；边界条件 ；数值分析 中 图分 类 号 ：ＴＵ４１１ 文 献 标 志码 ： Ａ 文章编号 ：１０００－－４７２６（２０１６）０５－０４２８－０５
Ｍ ＥＴＨＯ ＤＳ ＦＯＲ ＮＵＭ ＥＲＩＣＡＬ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＯＦ ＳＥＥＰＡＧ Ｅ ＩＮ ＳＡＴＵＲＡＴＥＤ．Ｕ ＮＳＡＴＵＲＡ ＴＥＤ ＳＯＩ要综合考虑水在饱和 一非饱和土体内的渗流 。 广义达西定律和 质量守恒定律基础上 的 Ｒｉｃｈａｒｄｓ方
然而在较早期的渗 流分析中 ，由于研究理论 、方法和 程 口 。在渗流数值分析方法方面 ，主要有有限差分法 、
分析技术的限制 ，一般只考虑了自由水面 （浸润线 ） 有限单元法等 。尽管饱和 一非饱和渗流数值分析理论
Ｗ ＡＮＧ Ｃｈｅｎｇ－ｈｕａ，ＺＨＡＮＧ Ｙａｎ－ｑｉｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＣｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，３０００７２，Ｔｉａｎｊｉｎ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｓａｔｕｒａｔｅｄ—ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｅｅｐａｇｅ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍ ｏｓｔ ｃｏｍ ｍ ｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ． Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ ｂｏｔｈ ｉｎ ｈｏｍ ｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｈａｖｅ ｄｏｎｅ ｎｕｍ ｅｒｏｕｓ ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ ． Ｔｈｅ ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｅｅｐａｇｅ ｉｎ ｓａｔｕｒａｔｅｄ－ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｏｉｌｓ ｗ ａｓ ｓｕｍ ｍａｒｉｚｅｄ， ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｗ ａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ａｓｐｅｃｔｓ： ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍ ｏｄｅｌｓ ａｎｄ ｍ ｅｔｈｏｄｓ
建 筑 技 术
Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
第 ４７卷第 ５期 ２０１６年 ５月
Ｖ＿ ０ｌ＿４７ Ｎｏ．５ Ｍ ａｖ．２０１６
饱和 一非饱和 土渗流数值分 析方法综述
王成华 ， 张燕青
（天津大学建筑工程学院 ，３０００７２，天津 ）
摘 要 ：饱和 一非饱和渗流是岩土工程中最常见的 问题之一 ，国内外针对这 －ｆ￣ ｑ题进行了大量 的数值 分析 研究 。通过对饱和 一非饱和渗流数值分析研究进行总结 ，从渗流分析模型与方法 、非饱和土的渗透特性 、 初始条件以及非饱和土降雨入渗边界条件四个方面介绍了饱和 一非饱和渗流数值分析 的研究现状 ，讨论 了现 有分析方法存在 的问题 。在 目前普遍考虑单相流的情况下 ，应该重视气相 的影响 ；重视非饱和渗透特性 的确 定 ，研究数值拟合 中各参数 的合理取值 ，同时注 重非饱和渗透特 眭的实验量测 ；为提高饱和 一非饱和渗流数 值分析 的准确性 ，应该重视提出符合实际 的初始孔压场 ，提出合理 的边界条件 。
以下的饱和区内的渗流，而忽略了非饱和区内的渗流 ， 和方法已经比较成熟 ，但饱和 一非饱和渗流控制方程
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Ｋ ｅｙｗ ｏｒｄｓ： ｓａｔｕ ｒａｔｅｄ－ｕｎｓａｔｕ ｒａｔｅｄ ｓｅｅｐａｇｅ； ｔｈｅ ｐｅｒｍ ｅａｂｉｌｉｔｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ； ｉｎｉｔｉａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ； ｂｏｕｎｄａｒ ｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ； ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
岩土工程中的渗流问题所涉及的多为饱和 一非饱
，
ｔｈｅ ｐｅｒｍ ｅａｂｉｌｉｔｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｏｉｌ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａＵ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ，
ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｏｉｌ． Ｉｔ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍ ｅｔｈｏｄｓ． Ｉｔ ｗａｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ｍ ｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｐａｉｄ ｔｏ ｔｈｅ ｉｍ ｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ ｐｈａｓｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｗａｓ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｉｎ ｓａｔｕｒａｔｅｄ．ｕｎｓａｔｕ ｒａｔｅｄ ｓｏｉｌｓ； ｍ ｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｐａｉｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍ ｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｍ ｅａｂｉｌｉｔｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｕｎｓａｔｕ ｒａｔｅｄ ｓｏｉｌ ｔｏ
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关键词 ：饱和 一非饱和渗流 ；渗透特性 ； 初始条件 ；边界条件 ；数值分析 中 图分 类 号 ：ＴＵ４１１ 文 献 标 志码 ： Ａ 文章编号 ：１０００－－４７２６（２０１６）０５－０４２８－０５
Ｍ ＥＴＨＯ ＤＳ ＦＯＲ ＮＵＭ ＥＲＩＣＡＬ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＯＦ ＳＥＥＰＡＧ Ｅ ＩＮ ＳＡＴＵＲＡＴＥＤ．Ｕ ＮＳＡＴＵＲＡ ＴＥＤ ＳＯＩ要综合考虑水在饱和 一非饱和土体内的渗流 。 广义达西定律和 质量守恒定律基础上 的 Ｒｉｃｈａｒｄｓ方
然而在较早期的渗 流分析中 ，由于研究理论 、方法和 程 口 。在渗流数值分析方法方面 ，主要有有限差分法 、
分析技术的限制 ，一般只考虑了自由水面 （浸润线 ） 有限单元法等 。尽管饱和 一非饱和渗流数值分析理论
Ｗ ＡＮＧ Ｃｈｅｎｇ－ｈｕａ，ＺＨＡＮＧ Ｙａｎ－ｑｉｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＣｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，３０００７２，Ｔｉａｎｊｉｎ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｓａｔｕｒａｔｅｄ—ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｅｅｐａｇｅ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍ ｏｓｔ ｃｏｍ ｍ ｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ． Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ ｂｏｔｈ ｉｎ ｈｏｍ ｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｈａｖｅ ｄｏｎｅ ｎｕｍ ｅｒｏｕｓ ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ ． Ｔｈｅ ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｅｅｐａｇｅ ｉｎ ｓａｔｕｒａｔｅｄ－ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｏｉｌｓ ｗ ａｓ ｓｕｍ ｍａｒｉｚｅｄ， ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｗ ａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ａｓｐｅｃｔｓ： ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍ ｏｄｅｌｓ ａｎｄ ｍ ｅｔｈｏｄｓ