مهندسی سازه و ساخت

مهندسی سازه و ساخت

شبیه سازی دو بعدی حرکت آب در خاک با استفاده از روش حجم محدود با تاکید بر زهکش های زیرسطحی همسطح و غیر هم سطح

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
افشین قبادیان 1
محمد شریفی پور 2
رسول قبادیان 3
1 دانشجوی دکتری ژئوتکنیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران
2 دانشیار، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران
3 دانشیار ، دانشکدۀ مهندسی آب ،دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران
10.22065/jsce.2023.370366.2977
چکیده
هدف از انجام این تحقیق شبیه سازی نزدیک به واقعیت نحوه حرکت آب در خاک در مسائل مهندسی ژئوتکنیک که از اهمیت و جایگاه خاصی برخوردار است، می باشد. در طول سالیان گذشته روش های عددی متعددی برای حل معادله عمومی جریان آب در خاک ارائه شده، اما در این پژوهش سعی بر آن است که با استفاده از معادله ریچارد و تکنیک منفصل سازی کرنک- نیکلسون و روش عددی حجم محدود، حرکت آب در خاک مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. به همین منظور دو مسئله ی پرکاربرد و مهم مورد بررسی قرار گرفته است. در مسئله اول برآورد نحوه حرکت آب پشت دیواره گود در مناطقی که سطح آب زیرزمینی بالاست و در مسئله دوم چگونگی حرکت آب بین دو زهکش زیرسطحی هم عمق وقتی که سطح ایستابی بر اثر بارندگی بالا می آید، بررسی می شود. برای اطمینان از عملکرد مناسب، مسئله اول با استفاده از نرم افزار اجزای محدود Seep 2D که از فرمول بندی المان محدود تبعیت می کند، شبیه سازی شده است. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی نرم افزار Seep 2D با نتایج پژوهش حاضر صحت عملکرد رویه پژوهش حاضر را تایید می کند.

کلیدواژه‌ها
معادله ریچارد
روش کرنک-نیکلسون
روش حجم محدود
Seep 2D
زهکش زیرسطحی

موضوعات

عنوان مقاله English

Two-dimensional simulation of water movement in soil in the geotechnical engineering using finite volume method.

نویسندگان English

afshin ghobadian 1
Mohammad Sharifipour 2
rasoul ghobadian 3
1 Geotechnical Ph.D candidate, Department of civil Engineering, Razi University, Kermanshah, Iran
2 Associate Professor, Department of Civil Engineering, Razi University, Kermanshah, Iran
3 Associate Professor, Department of Water Engineering, Razi University, Kermanshah, Iran
چکیده English

The purpose of this research is to simulate close to reality how water moves in the soil in geotechnical engineering issues, which has a special importance and position. Over the years, several numerical methods have been proposed to solve the general equation of water flow in the soil, but in this study has been tried to use the Richard equation and the Crank-Nicholson separation technique and the finite volume numerical method to move water in Soil to be analyzed. For this purpose, two widely used and important issues have been examined. In the first problem, estimating how water moves behind the excavation wall in areas where the groundwater level is high, and in the second problem, how water moves between two subsurface drains at the same depth when the water level rises due to rainfall.

کلیدواژه‌ها English

Richard equation
Crank-Nicholson method
finite volume method
Seep 2D
subsurface drains
  1. Li, X.G., Yuan, D.J., 2012. Response of a double-decked metro tunnel to shield driving of twin closely under-crossing tunnels. Tunn. Undergr. Space Technol. 28, 18–30.
  2. El-Nahhas, F.M., 1999. Soft ground tunnelling in Egypt: geotechnical challenges and expectations. Tunn. Undergr. Space Technol. 14 (3), 245–256
  3. Jurado, A., De Gaspari, F., Vilarrasa, V., Bolster, D., Sánchez-Vila, X., Fernàndez-Garcia, D., Tartakovsky, D., 2012. Probabilistic analysis of groundwater-related risks at subsurface excavation sites. Eng. Geol. 125, 35–44
  4. DAM, Ca Le; VAN, Tuan Nguyen; QUANG, Manh Truong. Dewatering experiences in deep excavation–Case studies in Vietnam. In: Geotechnics for Sustainable Infrastructure Development. Springer, Singapore, 2020. p. 403-409.‏
  5. Powers, J.P., Corwin, A.B., Schmall, P.C., Kaeck, W.E., 2007. Construction Dewatering and Groundwater Control — New Methods and Applications, third ed. John Wiley and Sons, United States of America.
  6. UFFINK, Gerardus Jacobus Maria. Determination of denitrification parameters in deep groundwater. A pilot study for several pumping stations in the Netherlands. 2004.‏
  7. 7. WILLIAM, Powrie. Chapter 16 Groundwater flow. In: ICE manual of geotechnical engineering. Thomas Telford Ltd, 2012. p. 167-174.‏
  8. Boersma, L., Cary, J. W., Evans, D. D., Ferguson, A. H., Gardner, W. H., Hanks, R. J., Jackson, R. D., Kemper, W. D., Miller, D. E., Nielsen, D. R., and Uehara, G. 1972. Soil Physics. American Society of Agronomy, Soil Science of America.
  9. Campbell, j. d. 1974. A simple method for determining unsaturated conductivity from moisture retention data. Soil Science, 117: 311–314.
  10. Diaw, E. B., Lehmann, F., Ackerer, Ph. 2001. One-dimensional simulation of solute transfer in saturated–unsaturated porous media using the discontinuous finite elements method. Journal of Contaminant Hydrology, 51:197–213.
  11. Ding, H. S., Hu, C., K. Yeo. S., and Xu. D. 2006. Numerical computation of three-dimensional incompressible viscous flows in the primitive variable form by local multiquadric differential quadrature method. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 195:516–533.
  12. Gardner, W. 1958. Some steady-state solutions of the unsaturated moisture flow equation with application to evaporation from a water table. Soil Science, 85: 228–232.
  13. Hashemi, M. R., and Hatam, F. 2011. Unsteady seepage analysis using local radial basis function-based differential quadrature method. Applied Mathematical Modelling, 35:4934–950.
  14. Manzini,G and Ferraris,S. 2004. Mass-conservative finite volume methods on 2-D unstructured grids for the Richards’ equation. Advances in Water Resources. 27.12: 1199-1215.
  15. Misiats,O and Lipnikov,K. 2013. Second-order accurate monotone finite volume scheme for Richards’ equation. Journal of Computational Physics. 239: 123-137.
  16. Ghalambor, A. Hashemi, S.M.R. and Zandparsa, S. (2013). On the Numerical Analysis of
    Richards' Equation for Modeling Flow in Unsaturated Soils, Journal of Irrigation Science and Engineering, 36(2):71-81.
  17. Ghobadian, R. (2014). Numerical Simulation of Saturated-unsaturated 2D- unsteady Flow Toward Drain Using Finite Volume Method, Journal of Water and Soil, 28(3), 546-555.
  18. KUMAR, K., et al. Formal upscaling and numerical validation of fractured flow models for Richards equation. J Comput Phys, 2019, 407: 109138.‏
  19. KEITA, Sana; BELJADID, Abdelaziz; BOURGAULT, Yves. Implicit and semi-implicit second-order time stepping methods for the Richards equation. Advances in Water Resources, 2021, 148: 103841.‏
  20. SIDDIQUI, M. Salman, et al. Finite-volume high-fidelity simulation combined with finite-element-based reduced-order modeling of incompressible flow problems. Energies, 2019, 12.7: 1271.‏
  21. 21. Leij F.J., Russel W.B. and Lesch S.M. 1997. Closed form expressions for water retention and conductivity data. Ground water, 35:848-858.
  22. Fredlund, D. G., Xing, A., Fredlund, M. D., & Barbour, S. L. (1996). The relationship of the unsaturated soil shear strength to the soil-water characteristic curve. Canadian geotechnical journal, 33(3), 440-448.‏
  23. VAN GENUCHTEN, M. Th. A closed‐form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil science society of America journal, 1980, 44.5: 892-898.‏
  24. Versteeg, H. K., Malalasekera, W. 1995. An introduction to computational fluid dynamics - The finite volume method. Longman Group Ltd. P, 255.

  • تاریخ دریافت 04 دی 1401
  • تاریخ بازنگری 29 اسفند 1401
  • تاریخ پذیرش 11 اردیبهشت 1402