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。     

堤基管涌发生发展过程的试验模拟

通过比例为1∶100的有机玻璃模型槽进行模型试验,模拟二元堤基条件及不同防渗墙深度下,堤基内管涌的发生和发展过程.利用拍照还原等方式,得到管涌口出砂面积;并采用彩色砂作为示踪材料,切片观察测量管涌发生后试样的局部剖面.从而验证了二元结构堤基的渗透破坏模式为:首先在上层弱透水层中发生流土,然后在强、弱透水层之间发生自下游向上游的逐步潜蚀冲刷.并且从试验得到了一些悬挂式防渗墙深度及堤基土密度与管涌发展之间的定量关系.     

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。     

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。     

管涌破坏机理模型试验覆盖层模拟方法的影响研究

该文利用砂槽模拟北江大堤双层堤基．即二元堤基,研究二元堤基表层弱透水层对管涌破坏变形的影响,提出在不同性质以及压重的覆盖层条件下,管涌破坏上溯发展的机理并不一样,同时由于以往试验研究多采用刚性覆盖层,因此．仅仅模拟的是闸底板冲刷现象,得出的临界水力坡降明显偏小。通过此次试验现象和结构表明,堤防管涌破坏同上覆盖层的容重、层与层之间的摩擦系数等有关。因此,与本试验临界水力坡降值相比较,实际堤防管涌破坏临界坡降还大于此试验值。     

二元堤基结构堤防管涌机理模型试验

为了科学解释二元堤基结构堤防管涌致灾机制并揭示其形成、演化过程和致溃规律,在考虑堤基强、弱透水层之间壤土过渡层作用的基础上,通过室内模型试验完整地模拟了二元堤基管涌从单个泡泉发展至管涌群并最终造成堤基塌陷溃决的全过程。试验结果表明:上部黏土及壤土层在渗流的顶托作用下向上隆起并在堤基内部产生层间水平渗漏通道,导致发生潜层砂沸,最终向上发展为表面砂沸的渗透破坏；二元堤基结构管涌发展可分为裂缝发展、潜层破坏、上覆层破坏、管涌通道上溯、堤基破坏和堤基溃决6个发展阶段；表面砂沸由潜层砂沸发展而来,潜层砂沸是由于土层内竖向坡降所引起的渗流力大于上部土体浮容重时造成的土层结构破坏所致,临界竖向坡降处于0.9~1之间；壤土层的存在会加快堤后自由边界区域管涌群的发展速度,但可以延缓管涌通道的上溯,对堤基具有保护作用。     

乔坨子砂堤堤防生物防护工程设计分析

乔坨子段堤身主要由粉质黏土组成,局部含有细砂层。堤基由粉质黏土、细砂组成。黏性土为微透水,细砂层为强透水。迎水坡坝炕前沙丘、沟壑较多,堤防两侧均有筑堤取土留下的水坑,地下水连通,极易形成渗透通道,产生渗透破坏。为从根本上消除渗透破坏隐患。需要采取工程处理措施。该区堤基黏性土为微透水,细砂层为强透水。堤防两侧50m范围内均有因筑堤取土留下的水坑以及鱼塘,堤基连通,形成地下渗漏通道,洪水期堤后有大面积渗水现象,故需对砂基防渗进行处理。     

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。     

府谷县皇甫川防洪工程地质探析

采用工程地质测绘、钻探、坑探及野外与室内试验相结合的综合勘察方法,对府谷县皇甫川防洪工程地质进行勘察,并对堤基土的渗透稳定和抗冲能力等问题进行评价。结果表明,工程区属构造相对稳定区,相应的地震基本烈度Ⅵ度;工程区地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水及基岩裂隙水,河谷两岸地下水位高于河水,对钢结构具弱腐蚀性;堤基以细砂及砂砾石、砾石层为主,抗冲刷能力较差,建议平直段冲刷深度可按1.6 m～2.0 m考虑,在强侧蚀段及迎流顶冲段冲刷深度可按2.3 m～2.5 m考虑;沿线堤基不存在液化问题,但存在渗透稳定问题,细砂及砾石易产生流土及管涌,且抗冲刷能力较差,洪水期河水易对堤脚形成冲刷破坏,建议迎水坡堤脚采取抗冲刷措施。     

双层堤基中悬挂式防渗墙渗控效果的试验研究

通过砂槽模型试验,研究了双层堤基设置悬挂式防渗墙情况下管涌发展并导致溃堤的过程和机理。试验结果表明,悬挂式防渗墙可以有效提高堤基管涌破坏的水平平均临界水力比降,降低管涌的危害程度,使堤基整体抵抗管涌破坏的能力显著提高,且布置在背水侧较临水侧更加有效。同时给出了悬挂式防渗墙的设计方法。     

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...     

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。     

北江大堤典型堤段管涌试验研究与分析

用北江大堤典型堤段的堤基粉细砂砾在玻璃水槽中模拟不同砂层厚度、埋深、层次结构及接触面粗糙度等条件下的管涌试验。论证了接触面加糙后能使临界坡降由光滑面的0．10提高到0．13～0．20。较细的上层砂和较粗的下层砂砾将有可能使临界坡降减小30％左右。最后，根据多层地基渗流理论推导出堤基渗流管涌发展的计算公式，并用三维有限元计算进行了验证。该公式可以用来估算管涌突发时的涌砂范围和继续向上游冲蚀发展的距离，以便判别危害大堤安全的程度。     

双层堤基上覆层对堤基渗透破坏影响的试验

根据上覆层与下伏砂层的协调变形情况,将上覆层概化为完全不变形的刚性上覆层以及与下伏砂层始终协调变形的柔性上覆层,并利用室内试验对这2种极端情况进行模拟。通过对试验过程中的土体破坏情况、渗透流量、涌砂粒径以及破坏后土体的颗粒组成等方面进行分析,发现具有刚性上覆层的双层堤基在接触面上易形成空洞,而柔性上覆层较刚性上覆层具有更强的抗渗透破坏能力;同时,具有刚性上覆层的堤基发生渗透破坏时粗颗粒更易流失。对渗透破坏过程中的渗流场进行数值模拟,对比了不同渗透破坏阶段的水力梯度分析情况,简要分析造成2组试验差异的原因所在。研究结果表明,使上覆层与下伏砂层保持协调变形是控制渗透破坏发展的有效方法,建议在堤基建设时尽量增加上覆层柔性,使上覆层与下部土体有协调变形的能力。     

不同轴压下悬挂式防渗墙堤基渗透坡降试验

为了研究含悬挂式防渗墙的强透水堤坝坝基在不同轴压状态下的渗透特性,分别开展了3种不同高度防渗墙在不同轴向应力状态下的渗流-应力耦合管涌试验。结果表明:防渗墙端部位置渗透流速较大,更易发生渗透破坏;坝基平均渗透坡降随防渗墙高度增加而减小,防渗墙渗流轮廓线上,防渗墙端部的渗流梯度最大,应力状态对悬挂式防渗墙-砂砾石地基渗透坡降影响显著,管涌临界渗透坡降与轴压呈抛物线关系,防渗墙端部的渗透破坏坡降随轴压增大而线性增大。在此基础上,建立了用轴压表示的防渗墙端部渗透破坏坡降线性经验公式。     

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。