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。     

双层堤基管涌模型试验尺寸效应的数值模拟

借助双层堤基砂槽模型试验的成果,建立双层堤基管涌动态破坏过程的数学模型和模拟方法。采用数值仿真方法研究双层堤基管涌模型试验的模型尺寸效应的规律和机制,提出双层堤基管涌小尺寸的模型试验的修正方法。研究结果表明:(1)采用概化的数学模型可以很好地模拟堤基管涌模型试验结果的尺寸效应影响及管涌动态发展过程,计算结果和试验结果吻合较好,同时得到不同模型砂样内部的渗流场分布和一些难以观测到的数据。(2)模型尺寸对堤基管涌的临界水头、发展过程有较大影响,临界水头随模型宽度和深度的增加而减小,但减小的幅度逐渐减小。(3)通过理论和数值模拟分析,现有模型试验结果受模型尺寸影响较大,对现有模型进行改进,模型宽度增大为堤身长度(试验模型槽管涌口至上游临水面的距离为1.4 m)的1.7倍,模型深度增大为堤身长度的0.85倍。改进后管涌破坏区的影响半径约为堤身长度的0.85倍。     

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。     

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。     

基坑开挖工程管涌发生过程的模拟

基于对基坑渗流场特性的分析研究 ,提出使用有限元迭代搜索方法模拟基坑工程管涌发生过程 ,对搜索条件等问题进行了探讨。针对基坑工程典型工况 ,进行管涌发展过程的模拟 ,分析了管涌的发生和发展所引起渗流场的显著变化及其对稳定和变形可能产生的危害性 ,同时也说明管涌发展过程分析对渗流控制研究的重要性     

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。     

论基坑管涌和漏水的成因及防治

结合多年的工程实践，对深基坑突涌、管涌产生条件以及原因作了分析，并以具体的实例针对事故的起因，提出支护止水和降水的最佳方案，以避免管涌和漏水发生。     

非稳定流作用下管涌发生发展的室内试验及理论分析

管涌问题是水利工程中广受关注的一大难题。通常针对管涌的研究是基于稳定水头条件下的,而非稳定流作用下,水位的升降变化与稳定流情况不同,水位势能的转变速率,施加于土颗粒的主动动量异于稳定流,导致土体发生管涌的规律也有别于稳定流情况。首先根据理论公式的计算,提出非稳定流作用下试样发生管涌破坏水头低于稳定流水头的假想;同时指出,试验过程中土颗粒的运移规律在小范围区域内具有很大的随机性。最后,在理论研究的基础上设计试验,通过控制供水水头,使水头在近似正弦曲线变化的情况下升降循环,进行管涌试验。在试验过程中监测试样内部各部位的渗流参数变化情况,对理论进行了验证。     

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。     

深基坑内管涌的成因及其处理对策

在深基础施工中,由于地下水文、地质情况的复杂性,经常会碰到管涌等不利情况的发生,一旦形成管涌之后,管涌的泛水点迅速由小变大而使基础积水、泛砂,给施工带来不利影响。本文通过杭州下沙某项目在基础施工过程中发生管涌现象的分析,阐述了深基坑内管涌现象的成因及其处理对策。     

多层堤基中土层结构变化对管涌影响的试验研究

不同土层结构的堤基,管涌的发生和发展情形不同。利用室内试验,通过改变下伏砂层内夹砂层的级配组成,对3种不同夹砂层的多层堤基进行了管涌破坏过程的模拟,研究了不同颗粒级配组成的夹砂层对管涌发生及发展过程和机理的影响。试验结果表明,多层堤基夹砂层均为细砂时,承受的水压力较大,临界水力梯度较高,一旦发生管涌破坏后其渗透流量、涌砂量以及破坏范围都比较大,所以此类堤基发生管涌破坏时具有一定的突然性和剧烈性,应及早采取防治措施;夹砂层均为粗砂时,管涌破坏时的情形与双层堤基类似,管涌破坏的范围局限于砂砾层顶部,破坏深度有限;夹砂层为细砾时,发生管涌破坏的临界水力梯度较小,管涌破坏程度逐步增加且破坏速度较快,由于涌砂量较大容易使堤基产生明显的渗透变形。     

双层堤基管涌破坏过程中上覆层渗透破坏发生发展的 试验与分析

利用室内试验模拟了刚性盖板下双层堤基渗透破坏的过程,研究了堤基发生管涌破坏后对上覆黏土层的影响。通过肉眼观察,照相机辅助拍摄及试验过程中测压管水位,流量和出砂量等的变化,分析了管涌过程中刚性盖板下黏土层破坏的发生及发展过程。堤基发生管涌破坏后,砂层上部细颗粒逐渐流失,形成强渗流通道并逐步向上游发展。渗流通道与上层黏土之间形成脱空,黏土层发生轻微沉降变形,在水流作用下产生不均匀变形导致黏土层中裂纹的产生并在水力劈裂作用下裂纹逐渐变成裂缝并越来越大,水流通过裂缝在塌陷黏土与刚性盖板之间急速流动,产生冲刷,破坏范围随管涌的发生向上游发展。黏土层的破坏促进了管涌的发生,而管涌通道不断向上游发展也加速了黏土层的破坏,两种过程相互作用,相互影响。     

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。     

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。     

近松散层采煤覆岩采动裂缝水砂突涌临界水力坡度试验

以带不同尺寸裂缝的混凝土块模拟采动裂缝岩体,以黏土、粉土、粗砂和砾砂配制不同颗粒组成的7种土样,采用改装的渗透仪,对松散层经过采煤上覆垮落带和裂缝带发生渗透变形破坏的类型和机制进行研究,得出采煤垮落带和裂缝带上覆松散土层发生从上往下渗透变形破坏的临界水力坡度与土层粒度成分、物理力学性质和裂缝尺寸的关系.试验结果表明,黏粒含量较少的粉土、粗砂、砾砂比较容易发生水砂突涌,土的d50小于裂隙宽度的1/10时,容易出现潜蚀甚至涌(突)砂现象;当临界水力坡度大于1时,同一种颗粒组成的土样重度越大,液性指数越小,土的黏聚力越大,则临界水力坡度越大;同一种土样发生通过裂缝的渗透变形破坏时,裂隙宽度越大,临界水力坡度越小,发生破坏的临界水力坡度随裂缝宽度的增大呈指数下降.试验还获得溃砂时水砂涌出量与裂缝的宽度和初始水头高度的关系,在相同初始水头条件下,随着突砂口尺寸的加大,突砂量基本呈线性增加;在相同突砂口张开的情况下,涌砂量随着初始水头增大而增大.发生水砂突涌的涌出物中含砂量随时间延续逐渐减少.由此可见,含水层的初始水头和突砂口张开程度是控制矿井工作面突砂量的关键因素.     

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.     

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.     

大口径夹砂玻璃钢管安装的质量控制措施

针对玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管(简称夹砂玻璃钢管)的性能特点,以山西运城引黄济运供水管线工程为例,介绍了大口径夹砂玻璃钢管安装过程质量控制。主要关键环节有材料控制、测量放线、沟槽开挖、管道敷设、管沟回填和系统水压试验,逐一介绍了控制措施。