堤基管涌小尺寸模型的细观试验研究

利用显微摄像可视化跟踪技术、数字图形的计算机实时处理技术,开展室内小尺寸堤基管涌物理模型的细观试验研究。从细观角度研究堤基管涌发展过程中的渗流过程、水头、管涌通道前端的颗粒运动、颗粒含量和水力梯度等参数变化的动态变化过程。研究结果表明:(1)堤基管涌的渗透破坏分为三个阶段,无明显渗透变形阶段、管涌通道形成阶段和堤基溃堤阶段;(2)从细观试验结果可看出,在无明显渗透破坏阶段,粒径小于0.075mm颗粒发生移动现象,稍大颗粒发生转动,但骨架颗粒没有变化。随着水力梯度的增大,当达到砂样的临界水力梯度时,砂样局部薄弱处的骨架颗粒发生移动,形成管涌通道并逐渐向上游扩展;(3)管涌通道前端的颗粒起动水头随粒径大小而不同,粒径越大,起动的临界水头越大;(4)管涌的发展是不断调整变化的,形成蜿蜒枝状沟道,主要原因是砂样颗粒的细观分布具有很大随机性,细颗粒流失形成的孔隙会被粒径大的颗粒填充,同时,也会引起周围更多的细颗粒流失使管涌通道变大。     

多层堤基结构管涌动态发展的数值模拟

针对多层堤基结构管涌动态发展过程,利用有限元分析软件模拟了管涌发展不同阶段堤基内部渗流场分布,对比分析了各区域水力梯度与各区域土体侵蚀临界水力梯度,从而确定管涌发展各阶段颗粒流失的区域和范围。结果表明：细砂夹层埋深为1m的多层堤基,管涌发生的标志是管涌口下端的细砂夹层冲破,发生竖向流土破坏;管涌发展过程中,堤基内土颗粒不断流失,局部土体渗透性随之发生变化,渗透性的变化影响渗流场的分布,继而又会影响土颗粒的流失,管涌动态发展是土颗粒流失与土体渗流相互影响、相互耦合的过程;同时管涌发展过程中存在多种类型的破坏形式,深层管涌破坏与浅层管涌破坏同时作用,产生的管涌通道深度很大,对大坝安全产生重大影响。     

砂土管涌机理的模拟试验研究

对管涌机理进行了砂槽模型试验研究,观察并分析了管涌发生、发展的过程.试验现象表明,管涌破坏发生在透水层上部,且砂样内部的颗粒移动是从进水口处和管涌口处向中间不断扩展的.当水头变化后,砂样内部的渗流需要较长时间才能重新稳定.     

堤坝涵管接触冲刷破坏模式分析

本文分析总结了涵管与堤坝土体结合面区域土体渗透变形或接触冲刷破坏影响因素,主要包括涵管材料、裂缝或孔洞、回填土性质、水头、水流类型、设计因素等。从后向侵蚀管涌和内部侵蚀机理出发,归纳了4种堤坝涵管接触冲刷破坏模式,即土颗粒流失进入无压涵管导致土体发生内部侵蚀、压力涵管内水外溢导致的内部侵蚀、沿涵管周围土体产生后向侵蚀管涌或内部侵蚀和涵管附近土体裂缝导致的内部侵蚀。应用连续统概念模型阐述了接触冲刷破坏发生发展过程和可能防御措施,有助于堤坝涵管工程设计、施工和后期运行管理。     

砂土管涌机理的模拟试验研究

对管涌机理进行了砂槽模型试验研究,观察并分析了管涌发生、发展的过程。试验现象表明,管涌破坏发生在透水层上部,且砂样内部的颗粒移动是从进水口处和管涌1：3处向中间不断扩展的。当水头变化后,砂样内部的渗流需要较长时间才能重新稳定。     

颗粒级配对管涌发展的影响试验研究

自行设计模型槽进行垂直渗流下砂土管涌试验,通过精细化量测手段获取管涌发展中土体几何、水力学参数及颗粒运动特点,研究颗粒级配对管涌发生发展的影响,揭示管涌细观机理。管涌型砂土可动颗粒本身级配影响流失颗粒最大粒径及颗粒流失量在渗流方向上的分布情况,但对最终颗粒流失量影响不大;可动颗粒含量对砂土是否发生渗透破坏及潜蚀发展过程影响密切,临界细颗粒含量及存在的自滤过程是要考虑的。通过体视显微镜,从细观尺度揭示临界细颗粒含量的砂土在管涌过程中,可能产生自滤反滤现象而使系统自稳定,进一步揭示该机制是由于砂土在复杂的水土相互作用过程中形成层间系数D15/d85值符合自稳定的级配特点所致。研究表明,对级配分布较广,缺失中间粒径的管涌型砂土,要判别砂土是否会发生渗透破坏及其临界水力梯度大小,在采用经典公式或经验曲线判断的基础上,有必要针对实际工程土体的级配特性与实际水力学条件,开展复杂水土作用过程的试验论证。     

上覆粗粒土层对堤基管涌破坏的细观机制研究

为了系统研究上覆粗粒土层对堤基管涌破坏的微观机制,采用PFC3D并结合"休止角标定法"对模型进行标定,快速、准确地建立了材料宏观参数与颗粒细观参数间联系,有效地模拟了粗粒土渗透变形的发展过程,获得了渗透变形的微观参数和运移规律。结果表明:上覆粗粒土层中细料含量为10%、20%时,在水压力作用下细颗粒在骨架颗粒间运动并发生流失,表现为管涌型破坏,且上覆粗粒土层中细料含量越少,细砂层越易破坏;当细料含量为30%时,管涌口附近土体发生流土型破坏,而后上覆粗粒土骨架颗粒与细砂层颗粒同步流失并逐步向上游发展,表现为管涌型破坏,整体颗粒流失呈现为过渡性渗透破坏;上覆粗粒土层为管涌型土时,上覆粗粒土骨架颗粒在水头压力作用下会发生快速沉降,上覆粗粒土层为过渡性土时,上覆粗粒土层初始没有发生下沉,在上覆土层发生流土破坏后,才逐渐开始下沉,且上覆粗粒土的沉降量随着上覆粗粒土骨架颗粒中细料含量的减少而增加。本研究在方法上可为三维颗粒流数值模拟中细观参数的标定提供一定参考,并揭示了上覆土层细颗粒含量对渗透变形的影响及颗粒微观运移规律。     

砂基堤防管涌模型试验和产生机理分析

针对典型的堤基进行了管涌机理的砂槽模型试验研究,观察并分析了管涌发生、发展并导致溃堤的机理和过程。试验结果表明,堤基管涌发展的机理、通道形状和位置均相似,管涌破坏均发生在透水层的顶面,低于临界水头时,管涌仅在一定范围内发展并最终停止,管涌通道不会与江（河）水连通,一旦超过临界水头,管涌通道持续发展并最终与江（河）水连通,连通管流的强力冲刷最终导致堤基整体破坏和溃堤。     

不同粒径级砂土渗透破坏特性试验研究

砂土渗透破坏的本质是水土相互作用的结果,由于土体内部单个颗粒的实际受力情况差异较大,影响土体管涌破坏的参数的研究甚少。利用自主改进组装的渗透破坏试验装置,进行了一系列砂土室内渗透破坏试验,采用误差及回归方程方法研究了颗粒级配、约束应力等对砂土渗透破坏特性的影响,得出了试样渗透破坏过程中涌砂量、渗流流速、水头差等的变化规律。试验结果表明:在应力为150 kPa,最大粒径为5 mm时,管涌破坏的流沙量达到最小值;基于试验数据,研究了砂土管涌破坏过程中管涌参数的变化规律以及管涌侵蚀机理,为管涌险情的预警预报进一步提供科学的理论依据。     

单层和双层堤基管涌砂槽模型试验研究

针对典型的单层和双层堤基进行了管涌机理的砂槽模型试验研究,观察并分析了管涌发生、发展并导致溃堤的机理和过程。试验结果表明,单层和双层堤基管涌发展的机理、通道形状和位置均相似,管涌破坏均发生在透水层的顶面,低于临界水头时,管涌仅在一定范围内发展并最终停止,管涌通道不会与江(河)水连通,一旦超过临界水头,管涌通道持续发展并最终与江(河)水连通,连通管流的强力冲刷最终导致堤基整体破坏和溃堤。但是,单层和双层堤基管涌破坏的水平平均临界水力比降不同,且前者大于后者,对试验用粉细砂,前者为0·278,后者为0·214。     

堤基管涌模型试验的流速示踪与发展过程

进行了管涌砂槽模型试验研究,观察到了管涌发生、发展和导致溃堤的全过程,得到了相应的堤基管涌破坏的临界水平平均水力坡降。试验结果表明,堤基管涌的发展,在水头低于临界水头时,发展至一定程度后达到自愈,管涌通道不会与上游连通,其宽度和深度有限,不会发生管涌溃堤事故。水头超出l临界水头后,管涌持续向上游发展并与外水连通,连通管道内水流的水力冲刷最终导致溃堤破坏。     

堤防管涌险情主要影响因素的敏感性分析

针对管涌破坏模式,建立了双层地基堤防概化模型,选取了堤内外水位差、警戒水位持续天数、弱透水覆盖层厚度及强弱透水层渗透系数比值4个主要评估指标,开展了大量敏感性分析,确定了各评估指标对管涌发生影响的客观权重。研究表明:堤内外水位差和弱透水覆盖层厚度(<2 m)2个评估指标对管涌发生的影响权重相对比较大;同时,对于警戒水位持续天数、弱透水覆盖层厚度及强弱透水层渗透系数比值3个评估指标,需要分区间确定客观权重,不同区间,各指标的客观权重不同。研究成果为后续建立堤防安全评估方法提供了依据。     

堤基管涌破坏特性研究进展

堤基管涌是汛期堤防工程中常见的一种渗透变形现象,严重影响堤防工程和堤防保护区内生命财产安全。堤基管涌因其隐蔽性、危害性、复杂性和难以预测性,其发展机理和破坏特性的研究一直是国内外研究的热点和难点。通过对国内外相关研究进展进行总结,从经验方法、数学模型、物理模型试验和数值模拟这四类主要研究方法分别评述了现有的研究成果。在此基础上,根据管涌研究水平的现状和管涌防治工作的需求,提出未来研究的几个方向。     

分段低压输水管系水力振荡的动荷载分析

本文将结构动力学思想引入到水流振荡问题中分析来，深入探究了非恒定流调节时，分段低压输水系统水面及流量振荡的机理。并应用仿真计算，证明来水过程即为输水系统相应的动荷载。在此基础上结合信号分析理论研究了来水过程对输水系统水力振荡的影响，采用三角函数方式控制来流，可以实现通过对动荷载的控制来减小输水系统的水力振荡。     

基于球状井非稳定井流理论的管涌流场分布研究

渗流场分布确定是管涌研究的基础与关键。双层堤基管涌时土体破坏范围仅局限于管涌口周围,且在管涌口形成后土体中的渗流场会经历一个动态的变化过程。基于此,将管涌口概化为半球状的涌水井,结合非稳态渗流方程和叠加原理,对定水头条件下双层堤基管涌口形成后地层中的流场分布进行了研究,得到了管涌口形成以后的渗流场分布。通过算例,研究了管涌口形成以后堤基内水头以及水力梯度随时间的变化规律;通过与稳定条件下完整井流的对比,得到了球状井与完整井条件下水头与水力梯度的分布规律。研究表明:管涌口形成时的非稳定渗流是造成细砂突涌的重要原因之一;利用稳定完整井条件下的渗流场分布进行管涌判别时,会明显夸大管涌的发生范围。     

堤防渗流计算的基本方法与渗流控制措施

关于堤防中的渗流问题,中国和荷兰两国对堤防渗透破坏模式和管涌机理的分析方法不同,但本质上是一致的.荷兰学者的研究主要集中在作用于结构上的水头与管涌侵蚀长度之间的关系,而中国学者的研究则主要集中于渗透破坏模式和土颗粒组成之间的相互关系.对于水头与渗径关系的确定,Sellmeijer公式较传统的Bligh和Lane经验公式具有更好的适用性.在渗透稳定分析中,有限元渗流计算结果应结合渗流比降与土体抗渗特性之间的关系进行分析.对于堤防的渗流控制,应采取上游防渗铺盖、下游盖重、反滤层、减压井等综合措施.     

水电站供水管道系统防结露保冷计算

在分析水电站供水管道系统结露危害及其发生机理的基础上,引入了隔热保冷技术以消除水电站管道结露现象.结合水电站运行的具体要求,探讨了保冷层材料选择的一般原则,给出了保冷层厚度计算的通用公式以及实际工程应用的满意效果.