管涌发生发展过程的细观试验研究

利用显微摄像可视化跟踪技术进行了管涌模型试验,从细观角度观察到了管涌从开始到破坏的整个过程.较详尽地分析了管涌过程中颗粒的移动规律及通道的形成特点,表明骨架颗粒,可动颗粒以及与水之间的相互作用行为贯穿管涌发展的全过程.结合伯努里方程和临界牵引力理论,得到了基于临界速度的临界水力梯度公式;基于试验数据,从孔隙率对临界水力梯度的敏感性角度验证了模型的有效性,表明在分析孔隙率对临界水力梯度的影响度时,该模型优于太沙基模型.     

基于散体介质理论的砂土管涌机制研究

结合小比尺细观模型试验,利用基于散体介质理论的颗粒流方法,考虑流固耦合作用,对砂土管涌的发生发展过程进行模拟.模拟方案跟踪记录管涌发展过程中砂样的孔隙率、流速、颗粒接触数、移动轨迹和流失量等参量的动态变化过程.分析结果表明:管涌发展过程中,随着水头增加,颗粒逐渐流失,砂样孔隙率增大,透水性能发生变化,进而影响系统的流速和水头的反应,揭示管涌发展过程中系统几何特性和水力特性的非线性动态变化过程和相互影响特性;颗粒流失量沿渗流方向呈逐渐减小趋势,管涌发展过程中颗粒移动轨迹随机,渗漏通道形成也具随机性,是复杂水土相互作用的结果.颗粒间接触数的剧烈波动揭示管涌发展过程中细颗粒运动剧烈,与粗骨架颗粒进行不断碰撞、分开,而颗粒的流失基本上不影响整个土体的应力场.模拟结果与有关的模型试验结果较吻合,一定程度上验证了该数值方法应用于大变形和流固耦合问题研究的可行性和合理性,所揭示的结果有益于砂土管涌机制的更深入研究.     

三维离散元法解析砂型泥石流细观运动特征研究

基于散体介质理论的三维离散元数值分析方法,引入粘滞阻尼模型考虑系统耗能效应,求解固体作用力和流体连续性方程,充分考虑流固耦合作用,对中、细标准砂泥石流过程进行仿真分析,得到不同砂型泥石流破坏过程及渗流场、颗粒速度场、孔隙率、颗粒接触数等参数变化规律。分析表明,中砂、细砂分别表现出分层渐进式和流滑型的破坏模式,这与已有物理试验现象吻合,验证该模型的适用性,并从渗流场分布规律深刻解释该现象发生机理。泥石流过程中土颗粒速度矢量变化规律从细观上揭示了隐藏在颗粒内部的相互碰撞、摩擦、滑动等复杂运动特点,从宏观上揭示了中砂土坡脚薄弱位置率先突破,主滑动体形成直至完全失稳的分级渐进式破坏过程。进一步分析了土体孔隙率和平均接触数分布云图变化规律,中砂泥石流过程中随颗粒运动,滑动体孔隙率逐渐增大,颗粒接触数逐渐减小,并且这种发展趋势逐渐往坡后方土体蔓延;进一步揭示了中砂泥石流分级渐进破坏过程与颗粒速度场分析规律一致。分析结果表明了该模型方法在模拟泥石流这种大变形、流固耦合问题上的适用性,这对泥石流复杂机理的更深入探索是有益的。     

无粘性土中管涌的毛管模型及其应用

通过对骨架孔隙中细颗粒的受力分析。建立了描述无粘性土中管涌发生、发展的毛管模型。利用该模型。将细颗粒的流失量、土体渗透性和颗粒起动的水力条件三者联系起来。得到了可动颗粒起动的临界水头梯度公式和考虑细颗粒流失的渗透系数公式。通过管涌试验校验证实了有关公式的有效性。计算结果表明，管涌过程中的渗透性显著地受细颗粒流失的影响。而且当有细颗粒流失后。级配不连续的管涌型土比级配连续的管涌型土更易发展成管涌破坏。     

土石坝管涌破坏溃口发展数值模型研究

由于坝体、坝基本身的缺陷或者穿坝建筑物的影响,渗透破坏是土石坝常见的一种破坏形式,管涌破坏在渗透破坏中占有很大比例。前人虽对土石坝管涌进行了大量的研究,但对管涌发生后的发展过程及其破坏规律还缺乏深入的研究。首先通过对可动颗粒受力情况的分析,推导出可动颗粒的临界水力梯度和管涌发展过程中土体孔隙率的变化,然后采用水流运动能量方程推导出管涌发展过程中管涌通道流量和流速的发展变化过程,得出了管涌通道流量的计算方法以及孔流转化为堰流的控制条件。在此基础上,提出了一个模拟土石坝管涌发展过程的数学模型,该模型可同时考虑土体的颗粒级配和密实度对管涌发展的影响,建立流量、流速与孔隙率的变化关系,确定管涌过程中的流量过程线,与目前国内外已有的模型相比,更为合理地考虑土石坝筑坝材料性质对溃口发展过程的影响。已有的大坝溃口实测流量过程线证实了该模型的合理性。     

堤防管涌试验研究与分析

为研究堤基内部填充颗粒在何等水力梯度下发生运移,进而流向出流口,最终引起管涌破坏,对砂槽模型试验装置进行了改进,避免出现接触冲刷破坏,以获得理论上发生管涌的临界水力梯度值。试验中考虑了不同细料含量、填充密度、渗径等条件下管涌临界水力梯度的变化,试验结果较为接近公式计算值。在此前提下,考虑了堤基内部存在渗流通道对管涌临界水头的影响,分析了渗流通道大小及通道距出流口远近对临界水力梯度的影响,得到了比较合理的结论。     

土体固结与溶质运移三维耦合模型

考虑堆场上覆堆积体自重引起的土体固结与溶质运移的耦合效应已成为环境土工领域中的热点问题。在 Biot 固结理论和溶质运移理论相结合的基础上,以孔隙率作为耦合参量,将固结方程与运移方程相联系,考虑土体固结对溶质运移模型参数的影响,建立了溶质在固结变形土体中运移的三维耦合模型。采用多场耦合有限元软件 COMSOL Multiphysics 对模型进行了数值求解。数值模拟结果表明,土体固结变形对溶质运移过程具有较强和持久的阻滞作用,导致溶质运移深度以及污染羽范围的减小,在模拟运移20 a 时,运移距离减小率已高达27．75％,且随着时间的增加而逐渐增大;溶质在水平方向的迁移距离不可忽略,随着横向水力梯度的增大而增大。     

对管涌机理的新认识

基于原状土的实际受力特点,提出新的管涌机理：管涌是涉及孔隙水渗流、可动细颗粒侵蚀运移、多孔介质变形等众多复杂力学行为的多相多场耦合现象。在详细归纳评述最新研究进展的基础上,提出了今后研究的总体思路：首先利用三向受压状态下土体的渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验,建立耦合管涌本构方程,揭示三向受压状态下土体管涌发展的渗流–侵蚀–应力耦合机理;然后基于溶质运移的思想,建立预报原状地基土体管涌发展过程的渗流–侵蚀–应力耦合数学模型。同时指出渗流–侵蚀–应力耦合试验的可重复性及三相三场全耦合纯对流管涌模型的高效求解策略是需要重点解决的关键科学问题。提出的新的管涌机理为客观认识管涌问题的本质提供了一种新的角度,今后的研究成果将对堤坝管涌险情的科学预报和有效治理具有重要的指导作用。     

基于透明土和粒子示踪技术的渗流侵蚀试验研究

渗流侵蚀是造成水利工程失稳破坏的主要原因之一。在渗流侵蚀过程中，土体细颗粒逐渐流失，土体渗透性增强，从而进一步影响到颗粒的流失，最终甚至导致失稳破坏。渗流侵蚀是典型的流固耦合问题，为了从细观层面探究渗流侵蚀过程中流体运动与颗粒流失的相互作用，结合透明土技术，自行研制了一套基于双光源PIV/PTV的渗流侵蚀试验系统。试验采用熔融石英砂和溴化钙溶液作为透明土材料及孔隙溶液，并对渗流侵蚀过程中孔隙溶液及土中细颗粒运动进行观测记录。对不同截面流速与试样宏观流速进行对比，发现水力梯度较小时截面实测流速较大于试样宏观流速，随着水力梯度的增加试样宏观流速逐渐大于截面实测流速，且越靠近试样中心，试样宏观流速和截面流速差距越小；同时试样中细颗粒逐渐由稳定状态过渡为垂直于进出水口所在平面方向运动，并逐渐流失。与无黏性土临界水力梯度公式计算结果进行了对比，发现通过试验获得的临界水力梯度略低于理论计算结果，但其所反映的渗流侵蚀规律与传统试验结果基本相符，表明了该试验系统在渗流侵蚀细观模拟中具有较高的可靠度，对从细观层面研究渗流侵蚀具有重要的参考意义。     

含浅层强透水层堤基的上覆砂层管涌破坏试验研究

堤基中往往存在局部浅层强透水层并形成渗流优先通道,该通道不能大幅度削减流体的水头势能,易引起堤基管涌破坏,此类堤基管涌破坏机理的研究尚不明朗,仍需进一步研究。采用砂槽试验模拟堤基渗流,试验中通过抬升水箱水位,观察砂土中细颗粒流失现象,并分析渗流量、渗透坡降、测压管水头、砂土颗粒级配、锥头阻力、沉降量等关键参数。试验结果表明,水箱水位增大至48cm,浅层强透水层上覆砂层被"击穿"发生管涌破坏,管涌破坏分为稳定渗流阶段、细颗粒流失阶段(0.05d≤0.075粒级砂土流失)、较细颗粒流失阶段(0.075d≤0.1粒级砂土流失)、管涌破坏扩大阶段(0.1d≤0.25粒级砂土流失)。管涌破坏过程中,细颗粒砂土流失,锥头阻力降低,砂土层发生沉降,且较细颗粒流失阶段的沉降较为突出。细颗粒砂土流失导致砂土层孔隙率和渗透系数上升,渗流量和渗透坡降随之增大。     

冻结温度下岩体THM完全耦合的理论初步分析

在冻结温度下，岩体受内部孔隙水、结构面及温度等的影响，其物理力学性质将发生深刻的变化，因而，一般热力学理论已经难以解释该问题。从不可逆过程热力学和连续介质力学理论出发，在若干合理的假定条件下，推导了冻结温度下岩体的质量守恒方程、平衡方程及能量守恒方程的最终表示形式；研究了岩体在冻结温度下冰与岩石的膨胀耦合关系，并建立了相应的耦合膨胀系数的表达式。为研究寒区工程围岩温度场、渗流场及应力场的分布规律及变形机理提供了新的理论依据。     

生物反应器填埋场中水平沟回灌渗滤液非饱和-饱和渗流分析

水平沟回灌是生物反应器填埋场中渗滤液回灌的主要模式之一，为研究水平沟回灌时生物反应器填埋场中渗滤液的非饱和-饱和运移规律，垃圾体的饱和与非饱和区域采用不同水流控制方程，饱和区域的水流控制方程采用饱和Richards方程，对垃圾体非饱和区域，由质量守恒原理，以修正的Darcy定理为基础，结合Elagroudy等提出的垃圾体沉降模型，建立了考虑垃圾体沉降的非饱和渗滤液运移控制方程。基于建立的考虑沉降特性的二维非饱和-饱和水平沟回灌计算模型，研究了水平沟回灌时渗滤液在生物反应器填埋场中的运移规律，提出水平沟回灌系统的设计方法。     

裂隙岩体渗透张量的对称性证明及主渗透性推导

裂隙岩体具有显著的各向异性和非均质性的特点,研究时主要分为等效非连续介质模型、等效连续介质模型和孔隙–裂隙双重连续介质模型3种情况考虑。岩体渗流参数是岩体渗透特性的量化形式,是连续介质模型求解裂隙岩体渗流场的基础。基于裂隙岩体的性质及工程设计方面的考虑,经常把裂隙岩体当作各向异性的多孔连续介质来处理,而渗透张量的对称性是连续介质的标志。各类教科书缺乏渗透张量的对称性证明,而是直接使用这一结论。,为更加深入地理解裂隙岩体渗透张量的本质,证明含有单个裂隙、单组裂隙或多组裂隙的裂隙岩体的渗透张量的对称性,阐明渗透张量的主轴与主渗透性以及水力梯度与渗透流速的关系,进而推导出渗流控制方程。     

库水位下降情况下滑坡的稳定性评价

根据包辛涅斯克 (Boussinesq)非稳定流微分方程 ,得到了库水位下降时坡体内浸润线的简化计算公式 ,在此基础上 ,用流网的性质来确定土条边界上的静水压力 ,证明了渗透力与土条中的水重和周边静水压力是一对平衡力 ,并用渗透力代替土条周边水压力的方法得到了滑坡稳定性评价的公式 ,最后通过算例讨论了各因素对坡体稳定性的影响     

砂土渗流过程的细观数值模拟

基于散体介质理论,利用PFC2D内置FISH语言定义的流固之间的作用力方程和压力梯度方程,求解不可压缩流体中两相介质的连续方程和Navier-Stoke方程。并尝试用该理论模拟不同水压下渗流引起砂土特性变化的全过程,数值试验得到了流速、渗透系数、孔隙率和砂的流失量等参量的定性变化规律,表明水土相互作用贯穿于渗流的全过程。模拟结果与试验结果相符,且流速与压力梯度满足达西定律,表明应用该理论来模拟复杂的水土相互作用是可行的,它具有一定的理论意义,为进一步研究多孔介质中考虑流固耦合的渗透破坏研究如流土、管涌等奠定了一定的理论基础。     

地球物理场中煤层气渗流控制方程及其数值解

 为探索地球物理场中原地煤层气运移能力对煤层气储集和富集能力的影响,以地应力场、地温场中煤层气连续性方程、气体状态方程、吸附方程、渗流方程为基础,建立了应力、温度影响下的煤层气渗流控制方程。方程体现了地应力和地温对煤层气压力、含量、渗透率和孔隙率的影响,其中,应力和温度通过影响煤层气压力影响吸附量,通过影响煤层气压力和孔隙率影响游离量;温度还通过影响吸附常数b影响吸附量;不同的应力、温度组合条件下,渗透率的变化机制不同。通过Kaiser声发射原岩应力测试实验、不同温度下煤的甲烷等温吸附实验、不同温度及有效应力下煤体中甲烷渗流实验以及煤的孔隙率、工业分析等实验,研究应力、温度影响下的煤层气渗流特征。不同温度下煤的甲烷等温吸附实验表明,吸附常数a随温度变化不明显,b随温度升高而下降;不同温度、不同有效应力条件下煤的甲烷渗流实验表明,小有效应力条件下,煤体中甲烷渗透率随温度升高而升高;大有效应力条件下,渗透率随温度升高而下降。以实验数据和原始地质资料为基础,采用有限差分法,进行了地球物理场中原地煤层气渗流运移能力的一维、二维数值模拟。计算表明：研究区现今原地煤层气渗流运移导致的煤层气散失甚微,低渗煤层具有良好的储集和富集能力,但不利于后期开采,卸除地应力和升高温度是提高煤层气抽采率的有效途径。     

考虑裂隙水流拖曳力效应的平推式滑坡稳定性

为研究滑面裂隙水流拖曳力对平推式滑坡稳定性的影响,建立平推式滑坡渗流–径流耦合模型。该模型采用Navier–Stokes方程描述滑面裂隙径流,用Brinkman-extended Darcy方程描述软弱层多孔介质渗流。径流区和渗流区的流体运动均满足连续性方程,且在交界面处的流体满足流速相等和切应力连续双边界条件。根据上述条件推求出径流区和渗流区的流速分布,并引入Newton内摩擦定律求出滑动面裂隙径流拖曳力。利用刚体极限平衡理论对径流状态下平推式斜坡的稳定性进行分析,得出修正后的平推式斜坡抗滑稳定安全系数和后缘裂隙临界水深之间的关系。并结合工程实例讨论后缘水深、滑面倾角和滑面裂隙宽度对安全系数的影响。结果表明,考虑底部裂隙流体拖曳力效应时,滑坡安全系数下降了5.90%。因此,在进行平推式滑坡稳定性分析与计算中,应考虑滑动面裂隙水流拖曳力作用。     

弱胶结油藏大孔道出砂的渗流与管流耦合模型

将渗流力学、岩石力学、流体力学知识相结合,建立了弱胶结油藏大孔道出砂的渗流与管流耦合模型,并进行了实例计算。油藏渗流模型主要基于达西定律,并且考虑了储层的可压缩性。将大孔道中的油藏流体与砂粒看作单分散的、稀释的悬浮液。考虑砂粒在大孔道中的沉降及液固两相流之间的相互作用,基于Navier-Stokes方程推导了油藏流体-砂粒两相运动的控制方程。其中,出砂流速门槛值和砂粒剥落本构方程通过实验方法确定,油藏流体渗流与大孔道管流之间通过压力和流量关系进行耦合。最后,通过计算研究了矩形区域内-注-采情况下大孔道的延伸情况,得到了开发过程中流场压力分布图和累计出砂量变化曲线,分析了油藏流体粘度、注采速度对出砂的影响。     

非饱和岩土介质渗流问题的光滑粒子法模拟

 非饱和土渗流问题在大坝渗流、降雨入渗、垃圾填埋场内部污染物扩散等领域有着广泛的应用。对非饱和渗流Richards方程的数值求解,一直以来多是采用有限单元法计算基质吸力水头为自变量的方程进行的。但是,材料属性的高度非线性特征会导致数值解的质量守恒性质较差及非物理性震荡,同时可能引起迭代过程的不收敛。尝试着将光滑粒子法引入到基质吸力水头形式Richards方程的求解中,以便获得具有质量守恒特性的数值解,并通过数值算例验证其实用性和可靠性,从而为此类问题的求解提供一种新的思路。最后,采用基于光滑粒子法编写的程序模拟了蒸发条件下的一个复杂非饱和渗流问题,这对实际的工程应用有一定的借鉴价值。