含贯通裂缝的软弱夹层受水力冲刷破坏的水深研究

为研究水流对含贯通裂缝软弱夹层的冲刷效应,对含贯通裂缝的软弱夹层建立了无限延伸的径流-渗流耦合水力冲刷模型。该模型用Navier-Stokes方程描述裂缝通道中的裂缝水流,用Brinkman-extended Darcy方程描述软弱夹层中岩土体渗流,然后根据不同介质交界面处流速相等及剪应力连续的边界条件来推求各个介质中的流速分布。根据土颗粒起动破坏时的流速与土颗粒受力的数学关系,推导出裂缝底部土颗粒起动时的临界起动速度;考虑底部土颗粒受水流冲刷时的摩阻效应,结合径流-渗流耦合水力冲刷模型,得出裂缝通道底部的土颗粒受水流冲刷破坏时的临界水深。分析表明,临界水深随着颗粒的重度和颗粒间的黏聚力的增大而增大,随着裂缝通道的坡度、岩土体的孔隙率和渗透率的增大而减小。     

考虑地表径流拖曳力效应多层边坡稳定性分析

为研究地表径流拖曳力对多层边坡稳定性的影响,建立了多层边坡渗流-径流耦合模型。采用NavierStokes方程描述地表径流,用Brinkman-extended Darcy方程描述土层渗流,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内摩擦定律求出坡面径流拖曳力。利用刚体极限平衡理论对径流状态下多层边坡的稳定性进行分析,得出每层土的稳定系数。并结合工程实例讨论径流水深、边坡坡度和上下部土层厚度分别对上下部土层稳定系数的影响。结果表明,考虑地表径流拖曳力效应时,上部土体的安全系数下降了9.95%,下部土体的安全系数下降了4.99%。因此,在进行多层边坡稳定性分析与计算中,应考虑地表径流拖曳力作用。     

单圆柱桥墩冲刷的三维数值模拟

桥梁防护中由于桥墩周围的绕流冲刷极其复杂,迄今对该绕流流态及其与河床冲刷关系的认识仍不完善。为了深入分析圆柱桥墩周围的三维水流结构及冲刷现象,利用Flow-3d三维模拟软件对不同流速下的圆柱绕流流态进行数值模拟并和模型实验对比另对圆柱桥墩周围的冲刷做了初步的模拟分析。结果表明,Flow-3d可以清楚地反映桥墩周围的水流流态并通过了模型实验结果验证。说明Flow-3d可以准确模拟单圆柱绕流并获得流场的三维瞬时流速和冲刷现象,本研究可为河床中桥墩附近的冲刷计算和防护设计提供重要的参考。     

基于格子Boltzmann方法的饱和土体细观渗流场

根据土体的孔隙率,采用随机配置的方法建立了二维土体孔隙结构.基于格子Boltzmann方法(LBE方法),通过设置入口、出口边界为非平衡态外推格式、左右边界及土颗粒边界为标准反弹格式的边界条件,建立了模拟饱和土体渗流的二维模型.编制了相应Matlab计算程序,模拟了在一定孔隙率的土体中,当恒定流速入渗时,土体渗流场的分布情况并探讨了渗流流速的变化规律.研究结果表明:在渗流过程中,土体流速的分布情况在整个渗流区域内较为均匀,且在孔隙连通性好、孔隙较大的区域流速较快.土体孔隙率越大,土体的渗流速度越大,且在渗流场内绝大部分孔隙格点的流速小于入口处的流速.当孔隙率恒定时,入口流速越大,渗流场内孔隙格点上流速分布的离散性越大.因此,LBE方法可以有效地模拟土体的渗流情况,为进一步研究土体渗流机理提供了一种新的研究手段.     

软弱夹层对碾压混凝土重力坝的动

针对含有软弱夹层的复杂地质条件下的碾压混凝土重力坝的抗震问题,采用反应谱法计算在地震作用下大坝结构的动力响应。并与不考虑软弱夹层的模型的动力计算结果进行对比分析,结果表明,没有模拟夹泥层的动位移和动应力值比模拟了夹泥层的小了约24%～48%,从而量化地基中软弱夹层对大坝动力的具体影响,软弱夹层对大坝的动位移和动应力均有不利影响,需要进行工程处理。     

钱塘江河口过江隧道河段最大冲刷

针对钱塘江河口水流泥沙运动及河床冲淤变化的实际情况,从平面二维非恒定水流运动方程、不平衡泥沙输移方程及河床变形方程出发,建立了钱塘江河口平面二维动床数学模型。以钱塘江河口的典型实测水流、泥沙及河床冲淤的实测资料对模型的潮位、流速、含沙量及河床冲淤变形进行了率定和验证计算。在此基础上开展了钱塘江河口过江隧道河段在极端洪水作用下河床最大冲刷深度的数值模拟,预测结果与动床物理模型及地质详勘的成果基本一致,进一步表明了动床数学模型的可靠性,预测成果可为过江隧道的合理埋设提供参考依据。     

钱塘江河口过江隧道河段最大冲刷深度的数值模拟

针对钱塘江河口水流泥沙运动及河床冲淤变化的实际情况,从平面二维非恒定水流运动方程、不平衡泥沙输移方程及河床变形方程出发,建立了钱塘江河口平面二维动床数学模型。以钱塘江河口的典型实测水流、泥沙及河床冲淤的实测资料对模型的潮位、流速、含沙量及河床冲淤变形进行了率定和验证计算。在此基础上开展了钱塘江河口过江隧道河段在极端洪水作用下河床最大冲刷深度的数值模拟,预测结果与动床物理模型及地质详勘的成果基本一致,进一步表明了动床数学模型的可靠性,预测成果可为过江隧道的合理埋设提供参考依据。     

多软弱夹层坝基高重力坝深层抗滑稳定与加固措施研究

抗滑稳定分析是多软弱夹层高重力坝坝基设计工作中的关键内容.针对某一高重力坝工程,采用刚体极限平衡三滑面法与有限元强度折减法相结合的研究手段,开展了抗滑稳定计算分析,并确定了适宜的泥化夹层坝基处理措施.研究结果表明,刚体极限平衡三滑面法与双滑面法相比,抗滑稳定结果更为准确、合理,更适合用于软弱夹层坝基的重力坝深层抗滑稳定...     

桩土共同作用下的桩基开裂特性分析

以某输电线路跨越塔桩基计算为例,针对桩土接触问题的高度非线性,通过引入三维接触单元来模拟桩与桩侧土体之间的非线性"滑移破坏",采用弹塑性有限元的方法计算了桩土共同作用下的桩基位移及应力,确定了桩侧土体可能产生缝隙的宽度和深度,并在此基础上复核土体的渗流特性.计算结果表明:在各种不利荷裁组合作用下,跨越塔桩基与土层的缝隙开展宽度及深度均非常有限,桩体所受的拉、压应力均较小,桩基建设对渗流场整体分布特征的影响极为微弱.     

梯形断面明渠三维紊流数值模拟

为研究梯形断面明渠的流速分布，建立了一个三维紊流数学模型。该模型采用重整化群 （RNG） 模型来封闭雷诺平均的N—S方程；用SIMPLE算法对压力—速度场进行求解；为考虑空气对水流流速的影响采用VOF方法追踪自由水面，并用施主—受主方法求解水体体积率控制方程。最后，在现场实测的基础上，运用本文模型对一实际梯形断面明渠水流进行了数值模拟，并将计算结果与实测结果进行了对比，发现两者符合的较好，表明本文模型是合理可靠的。根据计算和实测结果，分析了梯形断面明渠流速分布的规律。     

基于四参数随机生长法重构土体的渗流细观数值模拟

基于四参数随机生长法(QSGS),根据土体孔隙率,重构土体微观结构.通过格子Boltzmann方法,左右采用不透水边界,上下边界采用非平衡外推格式,颗粒之间的碰撞采用标准反弹格式,建立饱和土体渗流模型,并让恒定流速的水渗入模型.结合算例,推导了宏观物理单位与格子单位之间的转换关系,编制相关Matlab程序,并且进行运算分析,探讨在计算机模拟情况下的微观土体结构中水的渗流变化规律.结果表明:根据QSGS方法所重构的土体生成过程与自然环境下多孔介质的生成过程类似,重构土体性状各异,连通性和结构与实际土体类似;在连通性良好的前提下,土体中水的渗流速度与孔隙率大小有关;同一土体中渗流通道越小的位置水的渗流速度越小,渗流通道越大的位置渗流速度越大;在相同孔隙率条件下,大颗粒土的平均渗流速度比小颗粒土的平均渗流速度大,而小颗粒土的渗流更为稳定.     

土石坝心墙反滤层特性试验研究

反滤层是保证心墙防渗体渗透稳定安全的第一道防线,对保证土石坝的安全运行至关重要。通过颗分、相对密度、接触冲刷、管涌、裂缝冲刷、接触流失等大量试验,分析了山西水库心墙反滤层设计级配的反滤和排水特性。在确保反滤抗渗安全的前提下,研究了适当加大设计级配上下包线区间的可能性,提出新的级配上下包线,并通过试验进行了验证。研究表明：原反滤层设计级配曲线符合保土和排水减压的要求;优化后的反滤层级配曲线也能够满足规范要求,且级配区间大,施工难度低,工程投资节省,更具优势。     

四川红层地区渠道加固整治实用技术研究与应用

【目的】在四川红层地区修建的渠道等水工建筑物,因衬砌材料特性、水流冲刷磨损、风化剥蚀、植物根系侵蚀以及长期运行,造成渗漏、阻水等病害现象十分严重,且边坡崩塌等地质病害问题逐年加剧,因此病害治理是灌区节水改造工程的重点。【方法】在研究都江堰灌区节水改造工程渠道整治技术的基础上,提出了采用电焊网为增强材料、铺设锚固后以水泥砂浆覆盖的施工技术作为红层地区渠道加固整治实用技术。【结果】通过运行效果分析,既达到渠道边坡稳定、防渗减糙、满足过流能力等功能保障,又能节约国家投资、少占耕地、节约工期、保护生态。【结论】渠道加固整治实用技术是费省效宏、节能减排的研究技术,在都江堰灌区应用广泛。     

渠道渗漏的数值模拟分析

采用以土壤水势为自变量Richards方程、考虑饱和流与非饱和流的联合求解的渠道渗漏二维数值模拟方法，以山东省位山灌区二干渠碱刘断面为例，模拟了不同运行情况下渠道两侧的地下水土壤水动态变化，通过水量平衡分析、与动水法渗漏量比较、与实测地下水位比较等，验证了数值方法模拟渠道渗漏的可靠性与参数选择的合理性。经     

EN—1对砒砂岩固化土坡面径流水动力学特征的影响

为探讨砒砂岩地区工程边坡径流的侵蚀规律,通过室内模拟冲刷试验,对添加EN-1固化剂后不同固化剂掺量、养护龄期和压实度的边坡径流水动力学特征进行了研究.结果表明:在试验设计的固化剂掺量、养护龄期和压实度处理条件下,砒砂岩固化土坡面径流流速随固化剂掺量、养护龄期和压实度的增大而增大,且径流流速随冲刷的进行呈现出波动减小的趋势.径流雷诺数Re随固化剂掺量、养护龄期和压实度的增大而减小,且Re有随冲刷的进行而逐渐增大的波动变化趋势,而弗劳德数Fr的变化趋势正好与Re相反.除压实度在较小处理冲刷后期时径流流态为紊流和缓流外,其他处理都是层流和急流.径流Darcy - Weisbach阻力系数f随固化剂掺量、养护龄期和压实度增大而减小,且f与输沙率有一定的正相关关系.     

船行灌区渠系工作制度优化调度

船行灌区现行的渠系工作制度不合理,导致干渠流量不稳定和渠系水利用系数较低的问题。以西干渠输水系统为例,考虑不同时刻上级渠道配水流量波动最小和渠系渗漏损失最小这2个目标,以灌水连续性、配水量、流量以及灌溉可供水量为约束条件,建立了渠系工作制度多目标优化模型,采用非线性多目标遗传算法进行优化求解。结果表明,渠系工作制度多目标遗传算法优化模型适用于解决灌区渠系工作制度优化的问题,实行优化后的渠系工作制度可有效减少渠系渗漏损失、运行时间和流量波动。     

非稳定渗流下非饱和土体水力梯度的时变分析

为了研究非稳定渗流对坝体非饱和土体水力梯度的动态变化影响,考虑土体基质吸力与体积含水量的变化关系,建立了非饱和土体的渗流运动微分方程.采用SEEP/W软件对均质土坝在水位降落和上升等工况下的瞬时渗流场进行数值模拟,分析坝体上游侧、下游侧等不同深度的水力梯度变化值,以探寻坝体不同部位水力梯度在整个渗流历时内的动态变化规律及其可能发生渗透破坏的主要时间段.数值模拟结果表明:上游侧坝体底部水力梯度会在骤降历时的60%~70%时间段内出现高出稳定渗流期36.4倍的峰值,是最易引发渗流破坏的时间段;坝体上游侧水位变动区土体的水力梯度在上升历时的25%~50%时间段内增加较慢,在50%时间段后迅速增加,增加幅度达30~50倍,水位上升历时的50%时间段之后是其发生水力渗透破坏的主要时间段;水位升降对坝体下游侧土体水力梯度的影响甚微.计算结果可为大坝的调洪运行管理提供可参考的决策依据.     

文登抽水蓄能电站工程区地下水三维非稳定渗流场的数值模拟

抽水蓄能电站建设中的尾水隧洞开挖可能引起的周围地下环境的变化,在水文地质条件和工程地质特征的分析的基础上,研究了文登抽水蓄能电站工程区地下水分布特征和平硐、尾水隧洞开挖引起的强排水特征,概化出工程区水文地质概念模型,建立了工程区地下水三维非稳定渗流模型。采用求解有自由面渗流场的改进的截止负压法、改进的排水子结构法、管道子结构法和预处理共轭梯度法等理论对文登抽水蓄能电站平洞开挖和尾水隧洞开挖（衬砌后）不同施工阶段的非稳定渗流场进行了数值模拟分析。研究了尾水隧洞开挖（不衬砌）后、尾水隧洞开挖衬砌后这两种方案下地下水渗流场动态变化过程及对周围地下水环境的影响。计算结果表明：①平硐和水道系统开挖对研究区地下水位下降有着直接的影响,且影响较大。②尾水隧洞衬砌300d后,地下水流场基本恢复至稳定状态。     

北本水电站下引航道泥沙冲淤数值模拟

针对北本水电站下引航道泥沙淤积问题,采用平面二维泥沙数学模型进行了数值模拟,得到了下引航道特别是口门区5年淤积过程。在此基础上,讨论了航道冲沙闸冲沙流量和冲沙时机,提出了改善航道冲沙闸冲沙效果的措施。建议冲沙时机选择在流量较小的时候, 为减少电能损失,下引航道拉沙可以选择在深夜负荷处在低谷的时候进行。     

引黄灌渠泥沙迁移特性与渠道挟沙力模型试验研究

【目的】探索灌渠泥沙迁移特性及泥沙级配的沿程变化规律,找出减少渠道泥沙淤积的方法,保障灌区正常运行。【方法】通过对尊村灌区典型干渠高含沙水流实时监测采样,分析了悬移质泥沙沿程含沙量变化及级配特征,并根据实测数据带入4个典型挟沙力公式,筛选出适合尊村灌区的挟沙力公式,进一步改进得到尊村灌区渠道挟沙力计算公式.同时,通过一干渠改造段实测数据,推求出一干渠冲淤平衡比降计算公式。【结果】不同粒径泥沙的输移特性不同,总干渠悬移质含沙量随来水含沙量的增加而增加,渠道淤积主要与粉粒和砂粒量有关,其中砂粒对来水含沙量的变化表现得最为敏感,而黏粒更多的被水流带走,渠道由非平衡输沙经冲刷、淤积达到冲淤平衡输沙的过程比较缓慢。同时沉沙池能有效地减小引水中砂粒量。二干渠末清淤修缮段依旧存在泥沙淤积问题,一干渠剩余未改造部分,在条件允许的情况下,建议增大比降。【结论】含沙量在2 kg/m3内时,一级站来水量在8 m3/s左右,渠道基本实现冲淤平衡。