渗流力学

《渗流力学》主要针对油气开采与地下水渗流领域对渗流力学课程学习的需要，其内容包括：多孔介质及其中流体流动的基本概念、基础知识、基本定律；流体渗流的数学模型及其建模方法；单相液体、单相气体渗流数学模型的有限元求解方法，非饱和地下水渗流、地下水渗流与应力变形耦合问题的有限元求解方法与算例；以及渗透变形的知识和堤基管涌侵蚀问题的有限元求解方法与算例等内容。

目录
前言
第1章 渗流的基础知识与定律 1
1.1 渗流力学的发展历史与发展趋势 1
1.1.1 渗流力学的起源与发展历史 1
1.1.2 渗流力学的应用范围 4
1.1.3 渗流力学的发展趋势 5
1.2 多孔介质 6
1.2.1 储容性 7
1.2.2 渗透性 7
1.2.3 孔隙结构复杂性 8
1.2.4 可压缩性 8
1.3 多孔介质中的流体 8
1.3.1 油气流体的组分和相态变化 9
1.3.2 流体的密度 10
1.3.3 流体的黏度 10
1.3.4 孔隙表面对流体的吸附作用 11
1.4 渗流的基本概念与定律 11
1.4.1 渗流相关的基本概念 11
1.4.2 渗流的基本定律 13
1.4.3 达西定律的推广 15
1.5 非达西渗流 18
参考文献 18
本章要点 20
复习思考题 20
第2章 单相流体渗流的基本数学模型 22
2.1 建立渗流数学模型的一般原则 22
2.1.1 建立渗流数学模型的基础 22
2.1.2 渗流数学模型的一般结构 23
2.1.3 建立渗流数学模型的步骤 23
2.2 单相渗流的运动方程 26
2.3 液体的状态方程 27
2.4 气体的性质与状态方程 28
2.4.1 气体相关的基本概念与性质 29
2.4.2 气体的状态方程 32
2.4.3 气体的偏差因子 34
2.5 多孔介质的状态方程 36
2.5.1 岩体的状态方程 36
2.5.2 土体的状态方程 37
2.6 单相流体渗流的质量守恒方程 37
2.7 单相微可压缩流体渗流的偏微分方程 39
2.8 单相气体渗流的偏微分方程 40
2.9 定解条件 41
2.9.1 初始条件 41
2.9.2 边界条件 41
参考文献 42
本章要点 43
复习思考题 43
第3章 两相渗流理论 44
3.1 包含非饱和区的地下水渗流的数学模型 45
3.1.1 水气两相孔隙中的相压力差 45
3.1.2 非饱和岩土体的渗透性和吸力与饱和度的关系 46
3.1.3 地下水渗流的偏微分方程 47
3.2 油水两相渗流的数学模型 48
3.2.1 油水两相渗流中的相压力差 49
3.2.2 油水两相渗流的相渗透率 51
3.2.3 油水两相渗流的运动方程 52
3.2.4 油水两相渗流的数学模型 53
3.3 油气两相渗流的数学模型 53
3.3.1 油气两相渗流的物理过程 54
3.3.2 油气两相渗流的运动方程 54
3.3.3 油气两相渗流的数学模型 55
参考文献 56
本章要点 57
复习思考题 58
第4章 渗流的理论计算方法 59
4.1 裘布依假定与二维潜水渗流的计算 59
4.2 二维承压水渗流的计算 62
4.3 潜水完整井的渗流计算 62
4.4 承压水完整井的渗流计算 64
4.5 求解线性定解问题的叠加原理 64
参考文献 72
本章要点 72
复习思考题 72
第5章 流体渗流的有限元方法 73
5.1 有限元等参单元相关基础知识 73
5.1.1 形函数 73
5.1.2 面积坐标与体积坐标 77
5.1.3 坐标变换 81
5.1.4 形函数对坐标的导数 83
5.1.5 数值积分 84
5.1.6 三角形、四面体与三棱柱*边单元 86
5.2 地下水渗流微分方程的有限元求解方法 90
5.2.1 空间有限元离散 91
5.2.2 时间差分离散方案 92
5.2.3 边界条件的处理 95
5.2.4 算法验证与差分迭代方案比较 96
5.3 单相气体渗流微分方程的有限元求解方法 102
5.3.1 空间有限元离散 102
5.3.2 时间差分离散方案 104
5.4 两相渗流的有限元求解方法简述 105
参考文献 106
本章要点 107
复习思考题 107
第6章 地下水渗流有限元计算若干问题 108
6.1 内部逸出面问题及其处理方法 108
6.1.1 问题介绍 108
6.1.2 非均质区域渗流现状的调查 110
6.1.3 非均质潜水渗流场内部逸出面处理理论 111
6.1.4 有内部逸出面的非均质场潜水渗流算法 112
6.1.5 方法验证及模拟结果与以往分析的比较 115
6.1.6 小结 120
6.2 降雨入渗边界的处理 120
6.3 模型范围与截断边界的处理 121
6.4 排水孔列的模拟 122
6.4.1 井列流量计算的附加渗径 122
6.4.2 以沟代井的附加单元法 123
6.4.3 排水孔幕的附加渗径与边界条件实例 123
参考文献 124
本章要点 126
复习思考题 127
第7章 渗流与应力变形耦合分析理论及有限元方法 128
7.1 渗流与应力变形的耦合作用概述 128
7.1.1 多孔介质渗流与变形耦合作用的物理过程 128
7.1.2 典型的渗流与变形耦合作用问题 128
7.1.3 土体的渗流与变形耦合作用问题及其特点 129
7.2 土体非饱和渗流与变形耦合的数学模型 130
7.2.1 微分方程 131
7.2.2 土体非饱和相对渗透系数 132
7.2.3 边界条件 133
7.3 土体非饱和渗流与变形耦合的有限元方程 133
7.3.1 变形有限元方程的推导 134
7.3.2 非饱和非稳定孔隙水渗流有限元方程的推导 136
7.4 岩土数值模拟相关问题的处理 139
7.4.1 本构关系非线性的迭代方法 139
7.4.2 初始地应力场模拟 140
7.5 土体渗流场与应力场耦合的简化计算方法 141
参考文献 142
本章要点 143
复习思考题 143
第8章 土的渗透变形与渗透破坏 144
8.1 渗透变形的类型 144
8.1.1 渗透变形的基本类型 145
8.1.2 渗透变形的工程类型及破坏现象 146
8.2 单层砂砾石土渗透变形类型的判别方法 150
8.2.1 土料的不均匀系数判别法 150
8.2.2 细粒含量判别法 151
8.2.3 反滤准则判别法 152
8.2.4 K-L判别法 152
8.3 管涌临界坡降及其预测方法 153
8.3.1 管涌临界坡降 153
8.3.2 无黏性土管涌临界渗透坡降的预测理论 154
8.3.3 临界坡降的预测方法 155
8.3.4 预测的准确性 156
8.4 滤层保护 156
8.5 管涌破坏实例解读 158
参考文献 163
本章要点 165
复习思考题 166
第9章 潜蚀的有限元动态模拟 167
9.1 引言 167
9.2 描述潜蚀动态过程的数学模型 168
9.2.1 潜蚀中泥沙输运的连续性方程 168
9.2.2 含沙水的渗流连续性微分方程与渗流规律 169
9.2.3 泥沙侵蚀与淤积 170
9.2.4 潜蚀土渗透系数与颗粒流失量的关系 172
9.2.5 水流携沙对渗透系数的影响 173
9.3 求解潜蚀动态过程的有限元方法 173
9.3.1 渗流场有限元公式 173
9.3.2 泥沙浓度的有限元计算公式 174
9.3.3 非线性有限元方程组的求解说明 175
9.4 坝基潜蚀发展计算分析 176
9.4.1 研究对象与计算条件 176
9.4.2 计算结果与分析 178
9.4.3 坝基潜蚀发展评价 182
9.4.4 潜蚀有限元求解方法的展望 183
参考文献 183
本章要点 184
复习思考题 184
第10章 双重介质渗流理论 186
10.1 双重介质简介 186
10.2 双重介质渗流的数学模型 187
10.2.1 双重介质油藏的概化模型 187
10.2.2 双重介质油藏的基本物理量 188
10.2.3 双重介质单相渗流的数学模型 189
10.2.4 双重介质油藏油水两相渗流模型 191
参考文献 191
本章要点 192
复习思考题 192
第11章 水电站大坝渗流分析实例 193
11.1 引言 193
11.2 工程概况与渗流控制体系 194
11.2.1 工程概况 194
11.2.2 工程地质与水文地质 194
11.2.3 大坝设计与防渗体系 196
11.3 渗流分析的任务与模型概化 197
11.3.1 分析任务 197
11.3.2 计算方法与计算软件 198
11.3.3 模型概化与材料参数 198
11.4 计算结果比较与分析 202
11.4.1 二维渗流分析 203
11.4.2 三维渗流分析 206
11.5 敏感性分析 209
11.5.1 坝壳料渗透系数敏感性 209
11.5.2 覆盖层渗透系数的敏感性分析 210
11.5.3 心墙渗透系数的敏感性分析 211
11.6 结论与建议 212
参考文献 213
本章要点 213
复习思考题 213
第12章 围堰渗流与变形耦合分析实例 214
12.1 引言 214
12.2 拉哇上游围堰工程概况 215
12.3 围堰全过程耦合仿真若干问题探讨 218
12.3.1 碎石桩在二维模型中的概化模拟方法 218
12.3.2 二维模型中包含三维绕渗效应的方法 220
12.3.3 渗透系数的时空变化模拟 221
12.3.4 施工过程的仿真 223
12.3.5 算法的收敛性问题 224
12.4 计算模型与条件 225
12.4.1 计算模型与条件 225
12.4.2 有限元网格 226
12.4.3 材料参数 227
12.5 计算结果与讨论 229
12.5.1 戗堤填筑形成时的计算结果 229
12.5.2 围堰填筑到顶时的结果 234
12.6 耦合计算总结 237
参考文献 237
本章要点 238
复习思考题 238
第13章 流体的非等温渗流理论 239
13.1 多孔介质中的传热方式 239
13.2 含油气地层的热力学性质 242
13.2.1 固体和液体的比热 242
13.2.2 热传导系数 243
13.2.3 热扩散系数 244
13.3 多孔介质中连续液相传热传质的描述 244
参考文献 246
本章要点 246
复习思考题 246
第14章 多孔介质中的溶质迁移 247
14.1 油气物理化学渗流与地下水污染问题 247
14.2 多孔介质中的溶质迁移机理 248
14.2.1 溶质的对流迁移 248
14.2.2 溶质的动力弥散与分子扩散 249
14.