本文摘要：本篇文章是由 《橋梁建設》 現由中國鐵路工程總公司主管，中鐵大橋局集團有限公司主辦，中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院有限公司出版�！稑蛄航ㄔO》主要報道和交流我國橋梁工作者在科技、設計、施工等方面的實踐成果和理論探討，重點突出橋梁工程領域的新
本篇文章是由《橋梁建設》現由中國鐵路工程總公司主管，中鐵大橋局集團有限公司主辦，中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院有限公司出版�！稑蛄航ㄔO》主要報道和交流我國橋梁工作者在科技、設計、施工等方面的實踐成果和理論探討，重點突出橋梁工程領域的新技術、新工藝、新設計、新設備、新材料及最新科研成果，為讀者提供相關的技術、經濟信息。
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值模擬方法，并著重介紹及其原理、使用優點;并給出工程應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。
關鍵詞：滲流;有限元;固定網格法;滲流場預測
1概述
滲流是指流體在空隙介質中的流動，滲流力學作為流體力學的一個分支，與巖土力學及水力學是密不可分的。滲流研究在石油開采、排水灌溉、水文地質、地下水開發等領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、電模擬試驗法和數值解法，由于許多流場的邊界條件以及范圍等參數需要事先假定，很難得到準確的解析解。所以現在多采用數值計算和試驗研究相結合的方法，其中有限元法、有限差分法、邊界元法，自由網格法等近些年都得到了廣泛深入的發展，對工程防滲起到了積極作用。這些方法在滲流其他領域也得到了廣泛的應用。
2滲流研究現狀
近年來，由于計算機技術水平的提高以及試驗方法的不斷改進，許多基于滲流研究的新方法新措施已成功應用于工程實踐，取得了階段性成果。
2.1方法措施
由于變網格法在處理復雜夾層及排水系統時流場模擬比較困難，而且容易造成網格變形，所以目前處理滲流問題應用較多的是固定網格法，采用這種方法在計算過程中網格形狀不變，大大提高了計算的精度。無網格法也是現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[1]，主要應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學變換，并且在處理復雜邊界幾何形狀時變得非常復雜;以單元為基礎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格。
最近出現的自由網格法，用自由節點分布在物理區域代替網格，以半徑函數為基礎的微積方法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，采用傳統的有限單元法每次迭代計算都要更新網格，網格的質量和節點的連通性都會對結果產生很大的影響，采用自然單元法和遺傳算法根據能量守恒定律確定目標函數，優化了計算過程[4]。
三維邊界元法用來分析滲流多領域各向異性的介質、水力傳導張量的特征值和特征向量，通過閉合的坐標的各向異性矩陣將各向異性介質的二次滲流控制方程轉換成拉普拉斯方程，進而可以在改變了的空間用標準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果基本一致[5]。
復合單元法被用來計算不連續巖體的滲流，其基本原理是如果元素包含一個或多個不連續部分，作為復合單元具有定義在節點的流速勢，根據變分原理確定控制方程，可以在復合元素節點求得未知的勢函數，這一方法的好處是計算網格的生成不受數量、位置以及不連續方向的約束，簡化了計算[6]。
有資料表明，非達西滲流在工程領域也是普遍存在的，福希海默(Forchheimer)1901年提出非達西滲流基本公式：
i=AV+BV2
A，B是與顆粒形狀、粒徑、孔隙率和流體性質有關的常數。如果把顆�？障锻ǖ莱橄鬄榭障豆艿�，顆粒的大小用當量直徑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、流體粘性有關的常數。
陳永敏等通過人造膠結巖芯和砂巖儲層巖芯經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出非線性[7]。
目前無論是解析計算還是數值計算，都取得到了很多成果，但是大多數都是基于對非達西滲流模型的多孔介質進行簡化得到的，而在實際工程中多數是不能簡化的，對這方面的研究還有待于深入。
2.2工程應用
滲流侵蝕往往會給工程建筑帶來破壞，為了有效的預防，需要建立穩定性試驗模型，現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特性，M·L·Chu-Agor等開發了一種以試驗為依據的土沙輸送函數，通過包含一些水力、土壤、邊坡和表觀密度，以時間為基礎的三維土壤塊體試驗。可以預測滲流破壞及掏蝕[8]。
另外，虛功法也被應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，確定關鍵性的排列，經過改進得到了簡化了的方程，進而得到地震被動的土壤壓力系數，再經過對一系列參變量的研究，使工程設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定性，采用了運動學的極限分析法，重點關注在孔隙水壓力作用下整體地質結構穩定性，滲流力是怎樣通過從多余的孔隙水壓力分布梯度中導出并起作用的，這可以用來解決水力邊界值問題，結合外部荷載進行穩定性分析，巖石的強度特性通過改進的胡克-布朗準則來分析，進而導出閉合的支撐方程。這種方法可以很好的分析巖石邊坡的穩定性[11]。
波浪可以引起海床的滲流，進而對近岸建筑物造成破壞，采用暫態滲流方程對橢圓余弦波進行研究，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對暫態滲流方程及Biot方程差異性的影響，其中暫態滲流方程為Biot方程的極限形式[12]。
滲流研究的成果也被應用到石油勘探領域，了解具有斷裂巖石結構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構帶分布的影響，通過模型模擬這種地質結構和單孔水壓試驗經過分析可以得到最初的各向異性滲透性，進而可以掌握開發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生的極其復雜的地質動力現象，嚴重的危害人身安全和財產安全，主要原因是煤和煤氣相互作用引起地應力、氣壓、物理化學變化而導致災難的發生，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，從而預防災難的發生[14]。
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