基于流固耦合理论的土石坝稳定性分析

基于多孔介质的渗流特性和土的非线性本构关系,研究了渗流场与应力场的耦合效应;根据弹性力学和渗流理论建立流固耦合数学模型及有限元格式;利用大型有限元分析软件ABAQUS对燕山水库土石坝建立非线性耦合模型,并对其进行流固耦合分析,计算结果表明:坝体中渗流与应力的相互作用是不可忽视的,考虑耦合作佣将对土石坝的稳定性产生不利影响.     

流固耦合作用对新建水底隧道近接施工影响分析

为探索流固耦合在水底隧道近接施工中的影响,文中依托长沙地铁4号线下穿湘江近接南湖路隧道建立三维有限元模型,通过数值模拟研究流固耦合作用对新建隧道以及既有隧道的位移和应力的影响.研究发现:考虑流固耦合作用时,盾构隧道掘进扰动的范围更大,引起的变形也更大;有渗流和无渗流作用下土体的竖向沉降曲线与Peck沉降槽一致;在未考虑渗流场时,既有隧道水平向位移是整体趋向于远离新建隧道的方向,竖向位移是整体向上隆起;在考虑渗流场时,既有隧道管片水平位移是向隧道内收敛,竖向位移也是整体向上隆起,研究成果将对今后的类似工程建设提供指导作用.     

库水位波动与降雨作用下的滑坡流固耦合分析

库区水位周期性涨落将改变两岸土体地质条件,在联合降雨组合作用下,容易诱发滑体变形,极大程度地影响了滑坡的稳定性。以三峡库区卢家沱滑坡为例,针对滑体剖面二维模型,采用Geo-Studio软件模拟了不同库水位与降雨组合的滑坡稳定性分布情况;同时根据有限元软件Abaqus建立三维模型进行流固耦合作用分析。结果表明:在水库水位下降及降雨条件联合作用下,遭遇最不利工况时,滑坡将加剧变形,整体位移加大,存在局部失稳的可能,但由于滑坡前缘土体为中-强透水,利于地下水渗出,滑坡整体位移变化较小,未观察到塑性贯通区,可以确定卢家沱滑坡在不同工况条件下仍处于基本稳定状态。     

渗流对基坑变形及应力的影响

目的研究基坑的变形和应力在分步开挖的过程中受渗流的影响,分析基坑的变形和应力在考虑渗流和不考虑渗流时的差别．方法对基坑开挖卸荷与支护的过程用Fish语言编程,用FLAC3D进行数值模拟实际施工情况．在考虑渗流影响和不考虑渗流影响两种情况下,首先计算了基坑的水平位移数值解,并将坑顶位移的计算值和实测值对比,计算分析了坑底隆起和周围土体应力应变受渗流的影响．结果渗流会使基坑水平位移、竖向位移和周围土体沉降值增大,这对于基坑稳定是不利因素．渗流最明显的作用是使基坑内部和外部的水平位移都有所增大．渗流作用使基坑支护结构外侧土体竖向有效应力增大,使坑底支护结构内侧土体的竖向有效应力减小,因而增大了土体作用在支护结构上的横向作用力．结论渗流会使基坑的水平位移和坑底隆起变大,也会使周围较远的地面沉降值增大,同时会增大土体作用在支护结构上的横向作用力．     

基于流固耦合的重力坝深层抗滑稳定离散元分析

在计算节理和断层时,基于连续介质力学的有限元法和假设岩体为刚性体的刚体极限平衡法有其内在的缺陷,在重力坝深层抗滑稳定的计算中遇到较大的困难,而离散元方法可以解决这些问题.采用离散元强度储备系数法分析了重力坝的深层抗滑稳定,其中考虑了渗流与变形的耦合效应,得到了坝体在降强前后的应力位移规律,给出了抗滑稳定安全系数和最终的破坏滑动模式.通过对关键点部位的应力及位移变化情况的记录,更清楚的了解坝体的变形情况和受力特点,而后将考虑流固耦合与不考虑耦合作用的结果进行了对比,考虑耦合的计算结果较小,其值偏于安全.最后通过与刚体极限平衡等K法计算结果进行了比较,采用流固耦合方法的计算结果与等K法结果比较接近,而其该方法物理概念明确,可以采用其方法计算重力坝深层抗滑稳定问题.     

饱和多孔岩体中温度场渗流场应力场耦合分析

利用混合物理论,推导出裂隙岩体等效连续介质温度场、渗流场和应力场三场耦合的全耦合数学模型及其控制方程.采用全耦合求解法给出了控制方程的有限元表达式,编制了相应的二维有限元程序.给出的应用算例计算结果较好地反映了渗流、应力及温度场耦合作用下位移、孔隙水压力、温度的变化规律,表明了该计算模型与所开发的数值计算程序是合理和实用的.     

石榴树包水库型滑坡三维有限元分析

对三峡库区水库型滑坡——石榴树包滑坡建立三维有限元计算模型,计算水库水位涨落引起的滑坡体渗流场变化对滑坡位移场的影响.根据计算所得的结果和对石榴树包滑坡在不同库水位作用下的位移场的比较分析,得出坡体在库水位变化下位移场的变化规律和对坡体稳定性变化的关系,从而为水库型滑坡的监测布点提供参考.     

考虑分区各向异性和渗流作用的边坡稳定性研究

土体强度各向异性和渗流作用是影响边坡稳定性的重要因素。为使稳定性计算时边坡土体强度的各向异性更切合实际，提出对成层边坡土体进行分级加载和分区考虑强度各向异性的方法：将边坡土体最大主应力方向角与成层土相交区域设置为初始分区，然后结合有限元计算结果，推导各成层土各向异性强度参数计算公式，并即时计算各分区内土体强度参数；在逐级施加荷载过程中，根据计算所得土体强度参数，进一步调整初始分区，通过初分、细分和精分3级控制，确定耦合计算分区和各分区土体强度参数。在此基础上，建立考虑土体分区各向异性、未分区各向异性和未分区各向同性3种工况的流固耦合模型，分析边坡体应力场、位移场和渗流场的变化规律和特点，并采用强度折减法计算边坡稳定性。结果表明：考虑土体分区各向异性时，坡体平均应力最大值较未分区各向异性时有所减小，但较未分区各向同性时有所增大，其渗流域和流速较其他两种工况均有所减小；考虑土体分区各向异性时，计算所得边坡稳定性系数为1.109，较其他两种工况分别下降了2.8%和21.3%。     

考虑压滤效应饱和黏土压密注浆球孔扩张理论

为了研究压滤效应对压密注浆的影响,在考虑滤出水渗流和土体弹性变形耦合的基础上,推导出了考虑压滤效应时饱和黏土压密注浆球孔扩张的控制方程.并在不考虑土体渗透率变化的前提下,对该控制方程进行简化,得到径向应力和径向位移的表达式,该简化方法可较好地计算球孔扩张问题中径向应力和径向位移.与本文计算方法相比,传统的球孔扩张理论无...     

基于流固双向耦合仿真的热气球装置空气外流场分析

在热气球装置数值仿真计算过程中使用流固双向耦合和动边界方法,降低了模拟过程中因忽略流固耦合作用和热气球装置的变形造成的误差,大大提高了数值计算的模拟精度。考虑力和位移的双向耦合作用,依据4阶Runge-Kutta方法,设计了热气球空气外流场的数学模型,采用UDF自定义函数编制了流固双向耦合作用程序。通过计算得到热气球的速度压力分布云图、升力曲线以及热气球的变形曲线。对结果进行分析发现:数值仿真模拟结果和理论结果相吻合,从而验证了算法的有效性和可靠性,为航热气球装置的稳定性研究提供了理论依据。     

猴子岩水库色玉滑坡涌浪灾害链CFD-DEM耦合数值模拟

滑坡涌浪是一种常见的地质灾害现象，由于滑坡体与水体之间存在复杂的流固耦合作用，使得传统的单一介质模型无法进行准确求解。为此，介绍一种基于计算流体力学方法（CFD）与离散单元法（DEM）的流固耦合模型CFD–DEM，采用计算流体力学方法（CFD）求解水体流动，采用离散单元法（DEM）模拟散粒体滑坡运动，充分利用不同计算模型的优势，对滑坡及涌浪演进过程进行数值模拟分析。首先，利用该耦合模型对Robbe–Saule开展的颗粒堆积体坍塌–涌浪试验进行了相同工况下的数值计算，从颗粒坍塌运动过程、涌浪高度演化过程等方面进行对比，结果表明模拟结果与试验结果吻合很好，验证了CFD–DEM流固耦合模型的有效性。然后，将该方法应用于四川省猴子岩水库色玉滑坡–涌浪灾害的演进过程分析，重现了该事件滑坡失稳运动、涌浪产生及传播、涌浪爬升、涌浪回流的全过程，计算结果显示：计算得到的电站进水口处涌浪高度与实测数据较为接近；色玉滑坡从失稳运动至静止堆积的持续时间约为20 s，颗粒平均速度最大达到16.12 m/s；滑坡引起的涌浪约在滑坡失稳10 s后传播到对岸，之后开始沿坡面向上爬升，最大爬升高度达到27.32 m。研究表明CFD–DEM流固耦合模型能够很好地应用于模拟山区河谷大规模滑坡涌浪灾害，可为库区防灾减灾提供高效的技术支持。     

变形介质气藏渗流理论研究的发展及研究意义

变形介质气藏的开采过程是流固藕合渗流过程。常规气藏渗流理论由于没有考虑气藏开采过程中岩石骨架的变形，因此不能准确分析气藏中流体的运动状态。变形介质气藏渗流力学理论正为了解决这一问题而发展形成的。早期主要以研究储层岩石的孔隙度、渗透率与压力之间的关系为主要目的，引入有效应力概念后，建立了线弹性变形下的渗流模型，后又发展到考虑非线弹性变形和塑性变形下流固耦合渗流力学模型，到目前为止，已开始综合考虑渗流、应力和温度场三者之间的关系，并建立了相关的耦合模型。我国变形介质渗流力学理论的研究起步较晚，是在国外理论研究的基础上发展起来的，20世纪90年代以来，随着油气田开发理论的发展，许多国内学者开始对变形介质渗流力学理论进行了深入的研究，并取得了一些研究成果，对我国现阶段主要气藏的开发具有重要的指导作用。     

一种青藏高原冻结砂土蠕变本构模型

为描述青藏铁路沿线冻结砂土的蠕变特性,建立一个考虑应力和时间耦合的蠕变本构模型.首先进行一系列不同温度、干密度条件下的冻结砂土三轴蠕变试验;其次以Nishihara模型为基础,考虑应力和时间对模型元件的耦合影响,将黏弹性元件中定常的黏滞系数修正为时间和应力的函数,引入损伤变量改进黏塑性元件,构建新的冻结砂土蠕变本构模型;最后基于试验数据验证其科学性.结果表明:试验数据与拟合数据吻合良好,改进模型能较好地描述不同温度和应力水平下冻结砂土的衰减、稳态和加速蠕变特性;改进模型中黏弹性元件的黏滞系数、剪切模量和黏塑性元件的黏滞系数均随温度升高和应力水平增大而减小,损伤变量参数随着温度升高、应力水平增大而增大.成果可为冻结砂土蠕变沉降预测提供一种新的选择,为蠕变理论研究积累资料.     

轴压水压耦合作用下裂隙砂岩蠕变特性

在水利水电、水底隧道等岩土工程建设中,伴有初始损伤的岩石材料长期处于轴压水压耦合环境下,严重影响岩土工程的长期稳定性。为了保证处于轴压水压耦合环境下岩土工程的长期稳定性,以预加载制备的裂隙砂岩岩样为研究对象,利用特制的流固耦合多通道岩石流变系统,开展轴压水压耦合作用下裂隙砂岩单级加载蠕变实验及其蠕变模型研究,主要分析压力水与初始荷载对裂隙岩样蠕变特性的影响变化规律,并讨论新建立蠕变模型的准确性与合理性。蠕变实验研究结果表明：裂隙砂岩的轴向蠕变量随水压增大而减小;蠕变加速阶段的最大蠕变应变率随着水压升高而增大;初始阶段和破坏阶段的最大轴向蠕变应变率随初始荷载增大而增大。基于损伤理论,建立了考虑初始损伤的蠕变模型基本元件的非线性方程;根据幂函数方程,提出了新加速蠕变黏塑性模型;根据轴压水压耦合作用下裂隙砂岩的蠕变变形特征,建立了考虑时效损伤的一维非线性蠕变模型;基于增量理论,构建了轴压水压下考虑时效损伤的三维非线性蠕变模型。新蠕变模型预测的理论蠕变曲线与轴压水压下裂隙砂岩蠕变实验结果吻合度较高,这表明所建立的蠕变模型能较好的描述轴压水压耦合作用下裂隙岩石的蠕变变化特征,新蠕变模型合理,该成果为评价地应力与压力水耦合作用下岩土工程的长期稳定性提供理论依据。     

考虑降雨入渗的某矿区滑坡数值模拟分析

矿区坡体土质粘粒较少,在二次翻采、随意堆弃工况下,极易造成滑坡区土质疏松、加大土体的孔隙率。根据矿区滑坡坡体的工程地质及工况特点,考虑土体内应力场与渗流场之间的流—固耦合作用,采用有限元法,对比分析了某矿区滑坡体的边坡在降雨前、后的边坡安全系数.数值分析表明,考虑降雨入渗的情况下边坡安全系数明显下降.     

混凝土安全壳预应力施工模拟与变形监测

为了准确估计预应力施工过程中混凝土安全壳变形,以某核电站安全壳为背景,利用有限元软件ANSYS的重叠单元和生死单元技术,考虑混凝土弹性模量随龄期变化的影响,建立复杂实体有限元计算模型,结合现场预应力摩擦试验,分析时间相关的预应力损失与混凝土徐变对安全壳变形的影响。结果表明：考虑混凝土收缩徐变与预应力筋应力损失等因素的影响,无论穹顶观测点,还是筒体观测点,考虑混凝土收缩徐变和预应力筋的应力松弛引起的应力损失时变的位移与现场实测的位移变化规律一致,而且更接近于现场实测位移。预应力筋应力松弛引起的预应力损失时变对安全壳变形影响较小,但混凝土收缩徐变引起的预应力损失时变不容忽视,二者不存在相互影响。对安全壳进行考虑混凝土收缩徐变以及其引起的预应力损失时变力学分析,可更加准确预测徐变对核电站安全壳长期变形的影响,从而为安全壳设计提供理论依据和技术支撑。     

水库滑坡灾害致灾机理及防控技术研究与展望

随着中国高坝大库水利水电工程的相继运行，水库滑坡灾害已成为影响工程运行稳定和威胁沿岸人民生命财产安全的重大隐患，提升其综合防控能力是国家重大需求。水库滑坡是一个复杂的地质综合体，其变形破坏过程不仅与滑坡所在区域的地质条件特性相关，更取决于诱发因素如降雨、库水位变动等动态作用的影响，从开始孕育变形到最终失稳破坏一般需经历较长的历时，是一个不断累积发展的过程，不仅涉及降雨入渗与库水影响的时空叠加作用，更涉及多因素耦合下的渐进破坏机制，其致灾机理与防控难度极高。本文结合大量现场调查、室内外试验和数值模拟，总结了库区地质、水文等条件对于滑坡易感性及空间分布的影响规律，揭示了强降雨、库水位变动及多因素叠加作用下水库滑坡的累积灾变失稳机理；建立了离散元模型与流体力学模型（DEM-SPH）耦合的滑坡-涌浪模拟技术，能够较好地揭示高速滑坡体入河与水流的强碰撞及涌浪的非线性传播过程，可为滑坡致灾影响范围及应急避险方案制定提供科学依据；构建了无人机-3维激光扫描空地数据融合的大范围水库滑坡3维变形演化监测技术，并归纳总结了水库滑坡的综合治理技术。此外，针对多因素驱动下水库滑坡复杂致灾机理及防控技术方面的研究不足和局限性，展望了水库滑坡在灾变累积失稳与稳定评价、多源融合监测与智能预警、滑坡-涌浪流固耦合模拟与致灾影响评估、生态措施-支护结构联合治理技术方面的未来发展方向，期望为水库滑坡灾害防控减灾研究提供借鉴。     

基于指数平滑法和回归分析的滑坡预报模型研究

结合滑坡位移监测数据,从滑坡位移基本发展演化规律出发,选取两种统计性预报模型——指数平滑法和回归分析模型对滑坡进行预测预报。分别从建模思想、建模原理及预报判据等几个方面进行详细的分析讨论,比较了两个模型的适用条件和优越性。以三峡库区石鼓寺滑坡为例,根据滑坡的实际情况,对部分监测点位移进行建模和预测,分析对比实测与预测位移-时间曲线之间的关系。模型分析对比结果显示回归分析模型在滑坡预测过程中效果较好,说明所建预测预报模型在滑坡预测中是有效可行的。     

顾及降雨及库水位因素的滑坡时滞分析与预测——以三峡库区新铺滑坡为例

降雨及库水位涨落是引起库岸滑坡形变失稳的主要诱发因素,但滑坡位移速率对此类诱发因素的响应具有一定的滞后性,影响人类对滑坡所处运动状态的判断与预测。针对常规预测模型中未考虑时滞效应的问题,利用三峡库区新铺滑坡的GNSS位移监测数据、奉节气象站降雨数据以及三峡库区库水位涨落数据,通过对监测区内9个GNSS监测点的位移速率序列与降雨量、库水位高程序列进行时滞互相关分析,确定时滞参数,进而应用多变量灰色系统理论方法,建立了时滞GM(1,3)预测模型,并对滑坡位移速率进行预测验证。结果表明:三峡库区新铺滑坡位移速率与降雨量显著相关,对降雨量的响应滞后时间约为5 d,滑体中后部受降雨影响比前缘更明显; 位移速率与库水位高程高度相关,对三峡库区库水位涨落的响应滞后时间约为31 d,滑坡前缘受库水位涨落影响更明显,且离长江越近,滞后时间越短; 利用加入时滞参数的时滞GM(1,3)模型进行预测,模型拟合优度达到0.702,相比GM(1,1)模型和未顾及时滞因素的GM(1,3)模型,预测精度分别提升了53.8%和58.3%,平均绝对误差百分比分别降低了7.19%和7.47%,在滑坡位移速率预测及库岸滑坡防灾减灾领域具有一定的工程应用价值。     

压力水-岩耦合作用下砂岩断口微观破坏机理

为了研究流固耦合作用下岩石的损伤劣化机理,以砂岩岩样为研究对象,采用流固耦合力学实验系统开展轴压水压耦合作用下单轴压缩、三轴压缩及三轴蠕变实验,借助扫描电子显微镜对岩样破裂断口的微观结构特征进行分析。结果表明:单轴饱水岩样破裂断口表面比干燥岩样出现更多的裂纹核,且断口形貌以沿晶断裂为主,穿晶断裂为辅;随着水压增大,三轴压缩岩样破裂断口表面裂纹核逐渐变少,剪切平行裂纹逐渐增多,岩样的宏观破坏形式从以张拉破坏为主逐渐向以剪切破坏为主转变;与三轴压缩岩样断口相比,三轴蠕变岩样破裂断口表面平整度和光滑度较差,晶体间联结更加紧密,剪切裂纹密度和深度增加。