双层堤基管涌通道扩展机制和计算方法研究

双层堤基管涌通道是否扩展,取决于砂层颗粒条件、通道内冲刷水流和边壁渗流力等因素。通过分析通道边壁颗粒的受力平衡条件,引用河流动力学的相关公式,考虑砂粒相对暴露度、脉动流速、起动标准和管涌通道水流特性等因素提出通道扩展的判定条件。用2个砂槽模型试验研究冲刷水流和边壁渗流力的不同组合对通道扩展的影响,并用一维渗透试验证实渗流溢出面附近实际坡降远小于平均坡降的现象,说明提出渗流力有效比参数的合理性。在上述研究的基础上,用通道边壁稳定条件控制,建立有限元计算迭代流程,对管涌通道的扩展进行了数值模拟,并与试验结果进行对比,验证该方法的可行性。     

土体渗透破坏对深基坑开挖的影响

结合砂质粉土地区基坑渗漏工程实例,根据颗粒级配的判定法,确定了渗透破坏类型与临界水力坡降,并通过室内应力路径试验确定了有限元数值模型的参数。通过有限元数值模拟,给出了渗漏条件下的渗流场分析结果,确定了渗透破坏过程。结合现场实测数据分析,揭示了渗漏以及渗透破坏对坑外水位、地表沉降以及围护结构水平变形的影响。比较实测结果与有限元数值模拟结果可以看出,本文分析方法能够很好地预报止水结构存在渗漏情况,同时也能很好地分析土体发生渗透破坏对围护结构与周围环境的影响,为预防基坑开挖渗漏提供了理论依据。     

高速公路浸水路堤渗透稳定特性试验分析

水的渗透破坏是影响浸水路堤稳定性的重要因素之一.通过对杭兰高速公路某沿河浸水路基填料开展渗透稳定试验,分析该填料的渗透破坏类型和临界水力坡降,判断路基渗流最不利位置处的渗透稳定性.结果表明:该填料的渗透破坏类型为过渡型管涌,临界水力坡降为0.656,在路基渗流最不利位置处的渗流坡降为0.571,大于填料允许水力坡降0....     

顶管穿河工程渗流特性三维有限元分析和评价

针对顶管穿河工程易诱发堤坝发生渗透破坏现象,文章结合某顶管穿河工程,确定了顶管施工对河流堤防渗流影响的范围,建立了饱和-非饱和渗流分析三维有限元模型,分析了顶管穿河工程堤防的渗流特性,研究了顶管施工和防渗墙施工缺陷对渗流特性的影响。结果表明,各工况下高压旋喷桩防渗墙、堤身与堤基的最大渗透坡降均小于相应材料的允许渗透坡降;当顶管施工扰动范围内的土体渗透系数增大时,通过高压旋喷桩防渗墙的水头损失增大,高压旋喷桩防渗墙的阻水作用更为显著;高压旋喷桩防渗墙施工缺陷会降低高压旋喷桩防渗墙的水头损失,需要保证高压旋喷桩防渗墙的施工质量,避免因施工缺陷形成渗漏通道从而降低防渗墙的防渗效果。     

硬梁包水电站闸基渗流计算研究

根据该水电站地质勘察报告提供地质参数计算，选取典型断面进行渗流计算，采用UNIT2程序计算硬梁包水电站闸基渗流情况并对计算结果进行分析，评价结构的安全状况，研究结果表明：渗透坡降小于允许渗透坡降，闸基不存在渗透变形破坏。     

某土石坝渗流稳定分析及安全评价

以某土石坝工程为研究对象,根据该大坝地质勘察报告提供地质参数计算,选取典型断面进行渗流计算,确定各工况下的浸润线位置,并对计算结果进行分析,评价结构的安全状况,研究结果表明：大坝在各种工况下的渗透坡降均小于允许渗透坡降,大坝不存在渗透变形破坏。     

渗流作用下新型装配重力式挡土墙有限元分析

为研究渗流作用下新型装配重力式挡土墙应力变化及墙体排水通道对墙后土体固结的影响,采用ABAQUS进行有限元分析,有限元分析结果与模型试验结果相吻合,证明该模型的合理性。在此基础上研究渗流作用下墙体应力变化趋势及墙体排水通道对墙后土体固结效果的影响。研究结果表明：横向排水通道对墙后土体固结效果的影响优于纵向排水通道对土体固结效果的影响,墙体底部横向排水通道的影响作用最显著;渗流作用下墙体应力由上往下呈先增大后减小的趋势,墙体下部所受最大水平剪应力最大。     

Autobank有限元分析在杏山水库渗流稳定计算中的应用

水库渗流稳定分析是除险加固设计的重要环节,对于水库除险加固具有较强的指导意义。文章运用AutoBank有限元分析软件对杏山水库土坝进行渗流稳定分析,结果表明:不同工况下杏山水库逸出点坡降均满足允许渗透坡降,有效应力法计算水库大坝安全稳定系数满足规范要求,水库渗流及稳定性良好。     

南湾水库坝基顺河断层带渗流稳定性研究

根据南湾水库的蓄水和地质、结构特点,对其坝基顺河断层带进行渗流稳定性研究.根据南湾水库工程大坝浸润线和基岩等水位线图进行坝址区渗流域渗流场反演分析,确定岩体的实际渗透系数.运用二维有限元分析等方法评价,预测水库现状水位和未来高水位各运行工况下坝基渗流场的渗透稳定性.计算分析表明,有限元法计算的断层带最大水力坡降小于断层带允许坡降不会产生渗透变形.     

颗粒流模拟砂土渗流规律的适用性研究

为了详细探讨颗粒流程序在计算多孔介质渗流规律的适用性问题,采用三维颗粒流程序对不同级配砂土的渗流规律进行了数值模拟。结果表明,对于层流状态,在相同的渗透坡降下,球形颗粒渗透系数大于实际砂土的渗透系数,对其原因进行了深入分析;采用棒状颗粒并选取合适的形状系数,可大大缩小数值试样的渗透系数与实测值的差距;数值试样的渗透系数随着平均粒径和孔隙率的增大而增大,与室内渗流试验的结果一致;在用颗粒流进行渗流分析时,对于引起颗粒起动、渗透变形等的水力条件,建议选用渗透流速作为判别标准,而不是施加的渗透坡降。     

土层结构对管涌发展影响的试验研究

不同的土层结构对管涌的发生发展有着很大影响,对3种典型的土层结构进行了管涌发展的砂槽模型试验,观察并分析了管涌发生、发展的机理和过程。试验结果表明,双层堤基的砂砾石表面夹一层很薄的无黏性粉细砂时,管涌破坏前出水口的流量很小,临界水力梯度也较小,管涌破坏发生后通道发展速度很快,较短的时间内就会贯通,管涌破坏的机理与双层堤基不同;而在砂砾石层一定深度内夹有一层粉细砂将使堤基管涌破坏的临界水力梯度大大提高,然而一旦管涌破坏发生后涌砂量和侵蚀速率将很大,形成的通道深度较大,若不及时采取有效措施,当通道规模发展到一定程度后,通道上部会发生塌落而使堤坝产生溃口,进而使堤坝溃决。     

三维有限元并行计算及其工程应用

针对水利工程中的人型复杂三维结构对大规模数值计算的需求，基于J—PCG方法(Jacobi预处理共轭梯度法)，建立了有限元EBE(element-by—element)方法和分布存储并行机上的计算算法。该算法不用考虑网格拓扑结构和单元的排序，同时小形成整体刚度矩阵，而且避免了对复杂的三维结构进行区域分解。采用上述算法编制了三维有限元并行求解的PFEM(parallel finite element method)程序，并在网络机群系统上实现，然后将其应用到二滩拱坝-地琏系统和水布娅地下洞室的三维有限元数值计算中。数值计算结果表明，三维有限元并行EBE方法非常适合于水利工程中三维复杂结构的人规模数值计算。     

管涌发展的时间过程模拟

管涌模拟是数值计算的难点。常规有限元方法难以描述管涌的客观物理过程,且在理论上不够严密;离散元方法计算工作量过大,不具有实用性。在未发生管涌的区域用常规渗流理论计算,在管涌通道区域用管流理论,这种渗流–管流耦合的方法能够较好符合管涌的发展规律,同时不会过分增加计算工作量,是一种比较实用的方法。在该方法基础上,引入土的粒径级配曲线,提出了模拟管涌通道随时间发展变化的计算方法。对有防渗墙地基的管涌发展过程模拟表明,在通道发展的开始阶段,进展速度比较缓慢,一旦达到防渗墙底部,发展速度就会大大加快,即存在前慢后快的特点。表明防渗墙不仅能够改变管涌发展方向,而且能够减小管涌发展速度,给抢险赢得时间。     

岩体水力劈裂非稳定渗流影响机制初探

 水力劈裂是石油开采、土石坝安全控制、原位地应力测试、隧洞突涌水防治等中的常见突出问题。首先,构建一维非稳定渗流模型,推导其解析解,并将水力劈裂关键因素水压力、水力梯度随时间的变化规律与有限元模拟结果进行对比,从而证明该理论解的正确性。其次,非稳定渗流结果与稳定渗流对比表明,在非稳定渗流状态下水压突增时刻,靠进水口处水力梯度最大,而趋于稳定状态时,水力梯度逐渐减小并最终达到稳定。同时,渗透性越小,高水力梯度作用时间越长,岩体发生水力劈裂的危险性越大。因此,采用非稳定渗流研究岩体水力劈裂作用机制是十分必要的。     

Inverse analysis of laboratory data and observations for evaluation of backward erosion piping process

An inverse analysis procedure has been developed to interpret collected pore pressure data and observations during backward erosion piping (BEP) initiation and progression in sandy soils. The procedure has been applied to laboratory models designed to mimic the initiation and progression of BEP through a constricted vertical outlet. The inverse analysis uses three-dimensional (3D) finite element method (FEM) to successively produce models of the hydraulic head regime surrounding progressive stages of BEP based on observations at the sample surface and pore pressure measurements obtained from the laboratory models. The inverse analysis results in a series of 3D contour plots that represent the hydraulic-head regime at each stage of the BEP development, allowing for assessing the development of BEP mechanism as well as calculating the critical hydraulic conditions required for various BEP stages to initiate and progress. Interpretation of the results identified four significant stages of the piping process: (1) loosened zone initiation, (2) channel initiation and progression, (3) riser sand fluidization, and (4) loosened zone progression. Interpretation of the hydraulic head contour plots allows assessment of the critical hydraulic gradients needed to initiate and progress various components of the BEP development.     

Improving piping resistance using randomly distributed fibers

Piping is a problem that commonly occurs downstream of hydraulic structures under the influence of upward seepage. Piping is considered as the main mechanism of hydraulic structures failures. In this work an experimental program was set for determining the seepage velocity and piping resistance for unreinforced and randomly reinforced silty sand samples. Two types of fiber were used for preparing the reinforced samples. The experimental tests were carried out for different fiber contents (0.5, 0.75, 1.0 and 1.25%) and fiber lengths (5, 25 and 35 mm) under different hydraulic heads. Discharge velocity and seepage velocity of water flow through unreinforced and reinforced samples were calculated and compared with unreinforced sample. The results show that the inclusion of fibers reduced the seepage velocity, increased the piping resistance and increased the critical hydraulic gradient hence, considerably delaying the occurrence of piping. Furthermore, the amounts of increase in the piping resistance and hydraulic gradient are functions of percent and length of fibers.     

双排抗滑桩桩顶连接方式的优化设计

 采用有限元程序ANSYS建立双排抗滑桩有限元模型,分析桩顶连接方式对抗滑桩的侧向位移分布和内力分布的影响,找出最优的桩顶连接方式。桩顶的连接方式可分为无连接、同排相连、前后排相连和全连接等4种方式。通过对比这4种桩顶连接方式可知,前后排相连和全连接均可以使双排抗滑桩的变形相协调,弯矩和剪力分布更加的合理,能更好地发挥前后2排桩的抗滑效果,但是全连接增加抗滑桩的成本。选取同排相连和前后排相连2个工程实例,监测分析发现,同排相连时前排桩的侧向位移和弯矩均远小于后排桩,前后排相连时前后2排桩的位移和弯矩比较接近,这与有限元分析结果相吻合。在双排抗滑桩的设计中,建议采用前后排相连的桩顶连接方式。     

单层堤基管涌侵蚀过程的模型试验及数值分析

利用砂槽模型试验研究单层堤基的管涌侵蚀破坏过程,并建立单层堤基管涌侵蚀破坏发展过程的概化数学模型和数值模拟方法。结合模型试验结果和数值模拟结果,分析单层堤基管涌侵蚀破坏的机理及侵蚀破坏过程。研究管涌局部破坏的临界比降及不同渗径长度对管涌侵蚀破坏的影响。计算结果表明:①模型试验和数值模拟结果较好地揭示单层堤基管涌侵蚀破坏过程,即当上游水头低于临界水头时,管涌存在发生、发展和停止的过程。当上游水头大于临界水头时,管涌将持续发展并最终导致溃堤破坏,计算结果和试验结果吻合较好;②得到砂样内部的渗流场分布和一些难以观测到的数据,较好地解释模型试验的一些现象,提高对管涌溃堤机理和过程的认识;③单层堤基管涌破坏的临界水头和临界水平平均比降与砂层局部破坏的临界水平比降近似呈线性关系;④单层堤基管涌破坏的临界水平平均比降随着渗径长度的增大而增大,并且大体上呈线性关系。     

黑河渠道砖厂渡槽伸缩缝渗漏原因分析及治理

通过对黑河渠道工程砖厂渡槽伸缩缝渗漏问题的产生原因进行分析,提出了合理的治理措施,圆满解决了砖厂渡槽渗漏问题,取得了良好的防渗漏效果,对于黑河输水渠道管理单位的渠道工程维护工作具有一定的借鉴意义。