Trefftz配点法应用于感潮地区地下水研究

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在感潮地区,潮汐动力导致沿海含水层地下水产生周期性波动。与水头波动相关的地下水流动力学在沿海水文学中起着至关重要的作用。探讨潮汐动力学与地下水位之间的相互作用对于大规模研究沿海水文地质学与沿海工程建设具有重要的现实意义。本文首次采用Trefftz配点法(Collocation Trefftz Method,CTM)推导出潮汐响应地下水控制方程的完整Trefftz基底,并结合时空坐标系统对感潮地区越流含水层地下水进行数值模拟分析。本文主要研究内容及成果如下:(1)以潮汐响应地下水控制方程为基础,通过分离变量法相继推导定水头和定流量边界条件下满足控制方程的完整Trefftz基底。详细阐述时空配点的原理以及Trefftz配点法结合时空坐标系统的求解流程,建立时空模型进行地下水暂态模拟研究。(2)采用Matlab自主编译求解程序,针对不同边界条件的地下水问题进行解析解与数值解的对比验证。数值解与解析解吻合、最大绝对误差微小的结果证明了Trefftz配点法应用于感潮地区越流含水层地下水的可行性,并分析时空边界点数与阶数的最佳范围,以确保在使用该方法的同时能够避免其病态性。(3)进一步将Trefftz配点法应用于模拟感潮地区初水位与海持平、倾斜及不同渗漏量的地下水流动态。经过与不同解析解、已有研究成果及有限差分法(Finite Difference Method,FDM)迭代结果的拟合,证明该方法良好的模拟效果及高水平的计算精度,描绘了地下水受到潮汐波动、越流渗漏及二者联合作用所产生的现象,更进一步证明了该方法的适用性。(4)根据地下水潮汐效应理论,利用Trefftz配点法计算潮汐效应系数和滞后时间,探讨了潮汐周期,含水层土壤性质,以及渗漏量对于地下水振幅衰减与传递时间延迟的影响程度。(5)采用Trefftz配点法模拟分析台湾兴达港区域的潮汐和地下水压,并与实测数据进行比较,测试结果表明Trefftz配点法可以获得高度准确的结果,大幅度提高了该方法应用于实际感潮地区工程范围内地下水研究的适用性。(6)基于上述多项研究的可行性与适用性,将Trefftz配点法进一步用于模拟感潮地区不同类型基坑所承受的地下水压分布情况,依据基坑渗流稳定性分析理论,对潮汐作用下基坑的渗流安全性做出切实有效的预判。
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