不同结构堤基渗流的数值模拟和管涌临界条件

利用有限元分析软件模拟双层堤基、三层堤基以及多层堤基内部的水力梯度分布,将堤基内部各区域的水力梯度与相应的允许水力梯度进行比较,最终确定堤基管涌发生的临界上游水头。三层堤基和多层堤基中,堤基内部存在细砂夹层,随着细砂夹层埋深的增加,管涌发生的临界上游水头逐渐增大,通道深度不断增加,管涌破坏发生的标志是细砂夹层被冲破,发生竖向流土破坏;当细砂夹层埋深达到一定深度时,细砂上部砂砾石层的渗水量增加,增加到足以将砂砾石表面的颗粒带出,管涌破坏过程与双层堤基类似,通道主要形成在黏土下部的砂砾石表面,临界水头有所减小。将该数值模拟结果与前人管涌试验结果进行比较,两者吻合度较好。     

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。     

悬挂式防渗墙对不同细料含量堤基管涌的影响

在有悬挂式防渗墙的情况下,细颗粒含量不同的堤基,管涌的发展情况和破坏形式不同。利用室内砂槽试验,通过改变堤基的细颗粒含量,对含有悬挂式防渗墙的双层堤基管涌破坏过程进行了模拟,研究了防渗墙对细颗粒含量不同的3种堤基管涌破坏形式和发展机理的影响。试验结果表明:细颗粒含量为26%时,临界水力梯度较大,但是发生管涌后,流量和涌砂量较大,管涌发展速度较快,且管涌通道主要发生于砂砾石层顶面,破坏程度逐渐提高,容易产生较大的渗透变形,造成堤基上部黏土层的坍塌,对工程的危害较大;细颗粒含量小于23%时,管涌发展逐渐从砂砾石层顶面转为砂砾层内部,管涌时细颗粒在土体孔隙中流动,对土骨架的影响较小,管涌发展速度较慢,对堤基的危害程度较低。     

颗粒级配影响滤层系统细颗粒迁移试验研究

滤层是渗透破坏防治工程中的重要措施之一。利用自行研制的大型渗透仪,对不同滤层系统颗粒组成条件下的流失细颗粒的迁移规律进行了研究,并分析了层间系数D_(15)/d_(85)、不均匀系数C_u、控制粒径等对滤层有效性的影响。试验结果表明:当水力梯度在10以下时,层间系数在13以下滤层即可达到滤土作用,说明太沙基准则偏于安全。基料颗粒愈粗,临界及破坏水力梯度随层间系数的变化愈显著;基料颗粒愈细,流失细颗粒的运移规律对于层间系数的变化愈敏感,颗粒从起动到运移过程愈短,渗透破坏愈突然,愈不易防范。此外,基料颗粒C_u1.86时,C_u越小,基料颗粒越不易起动;C_u1.86时,起动临界水力梯度基本保持不变。当基料级配不变时,临界水力梯度与滤层颗粒粒径呈线性相关。     

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。     

填充颗粒占比对砂岩破碎带突涌水通道形成的影响

隧道修建在穿过导水危险性断层时易发生充填体渗透破坏型突涌水。利用 ＥＤＥＭ-Ｆｌｕｅｎｔ耦合计算方法,探究了填充颗粒和骨架颗粒质量比例不同对突涌水通道形成的影响,考虑了固体颗粒间和流体－颗粒之间的相互作用以及流固耦合过程。研究表明,贯通突涌水通道的形成是由于填充颗粒的大量流失。模型中较高的填充颗粒质量占比使得颗粒平均粒径减小,骨架颗粒间接触数量减少,临界水力梯度提高。但当达到临界水力梯度后,在渗流力作用下填充颗粒更易涌出,颗粒流失速度和流失质量增加,骨架颗粒网络较为稀疏,最终孔隙率较大,形成的突涌水通道相对更为贯通。     

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。     

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.水头超出临界水头后,管涌持续向上游发展并与外水连通,连通管道...     

某高填方体灰岩碎石土填料渗透特性研究

以我国西南某高原机场为例,通过对高填方体灰岩碎石土进行渗透试验研究,得到灰岩碎石土的渗透特性,以获得其渗透变形规律。研究结果表明:(1)渗透系数为1.18×10~(-2)~1.34×10(-2)cm/s,属于强透水层;(2)潜蚀发生的临界水力坡降为0.2,潜蚀类型为管涌;(3)管涌发生后,填料中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动并流失,此时土体孔隙增大,渗透系数增大,从而引起高填方体不均匀沉降,甚至破坏。     

管涌型土滤层防治的细观试验研究

利用数码可视化跟踪技术、计算机信息实时处理技术和土体变形无标点量测技术,从细观层面上对不同层间系数的宽级配基料-滤层系统进行了渗透模型试验。从细观角度分析了不同层间系数的砂样在渗流过程中的水力特性、颗粒运动特点和系统破坏特征,研究了滤层的特性和管涌型土自滤自稳定的细观机理。结果表明:层间系数D15/d85s是决定滤层是否合格的最关键因素,随着比率D15/d85s的增大,系统朝不稳定的方向发展;越靠近上游的颗粒移动的越早,越小粒径的颗粒潜在的移动距离越大;除了层间系数,加压速率和扰动力等因素也会影响管涌的发生发展。     

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。     

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。     

堤防管涌产生集中渗漏通道机理与探测方法研究

本文对堤防渗流管涌发生后产生集中渗漏通道的机理进行了深入的分析探讨，在管涌发生初期采用井流理论模拟河水向管涌口补给时地下水的流场情况，确定管涌开始发生时的范围以及逐步的发展过程，根据管涌的临界水力梯度，通过模型可以求出管涌初期的临界面，管涌初期涌砂区的范围较大，由于管涌离堤坝最近的地层中的水力梯度最大，被带走的砂也最多，涌水量增加而水力梯度减小，造成接近管涌初期临界面附近的水力梯度达不到地层颗粒移动的临界水力梯度，造成临界面向里缩小，最终形成了集中渗漏带。本文还对管涌渗漏探测的天然示踪与同位素示踪方法进行了论述。     

非均匀流条件下的管涌试验研究

通过自行设计的室内模型试验对非均匀水流条件下堤基管涌破坏规律进行对比研究,结果表明:从小截面进水时,管涌口流量较小,管涌破坏较难发生,临界水力梯度较大,且侵蚀速度较慢,通道发展深度较小;反之,从大截面进水时,管涌口流量较大,管涌破坏容易发生,临界水力梯度小,且侵蚀速度很快,通道发展深度较大。同时对试验过程中累计涌砂量以及孔隙率随时间变化的规律进行了分析,并得到其拟合模型。     

考虑饱和渗透系数的宽级配土渗流侵蚀过程室内试验研究

【目的】宽级配土是堤防的主要填料,其在水力梯度作用下会发生内部侵蚀直至管涌破坏。渗流侵蚀过程会改变土体性质,进而影响饱和渗透系数。依据饱和渗透系数演变规律,探究土体渗流侵蚀过程,有助于工程安全性评价与渗透破坏预测防治。【方法】采用自制渗流侵蚀试验仪,通过逐级升高渗透水压力,开展土体侵蚀过程试验,测量饱和渗透系数和细颗粒流失量,探究级配与干密度对渗流侵蚀过程的影响。【结果】结果显示：依据饱和渗透系数演变规律,渗流侵蚀过程可分为侵蚀前期阶段、侵蚀发展阶段和侵蚀破坏阶段,从而定义了渗蚀发展临界水力梯度和渗蚀破坏临界水力梯度;宽级配土的渗蚀发展临界水力梯度与渗蚀破坏临界水力梯度均随级配参数D₁₅/d₈₅增加而减小;当细颗粒含量处于欠填状态时,渗蚀发展临界水力梯度随细颗粒含量增加而减小,渗蚀破坏临界水力梯度随细颗粒含量增加近似线性增大;当细颗粒含量处于满填状态时,两种临界水力梯度与累积细颗粒流失率均随着干密度增加而增大。【结论】可见,由于渗透侵蚀造成的饱和渗透系数变化显著地受土体级配与密实状态的影响。     

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。     

堤基管涌微观机理模型试验研究

本文从微观角度出发,开展小尺寸模型试验,采用显微镜和数码成像系统对管涌土体进行局部放大摄录,通过常规观察试验现象和数字图像识别分析不同水头下管涌土体颗粒级配,分析了管涌发展过程中随水头变化的土体颗粒位移和流失规律,从宏观和微观角度共同阐释了管涌发生、发展的机理。试验结果表明,堤基管涌发生、发展的微观颗粒流失过程与宏观现象一致,管涌发生、发展的过程从微观角度即表现为颗粒位移并流失的过程。通过微观颗粒位移与宏观管涌通道发展相结合分析,更深层次剖析了管涌发展的机理。本研究对于管涌数学模型和数值模型的建立、提高管涌防治技术水平等具有参考意义。     

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.     

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。