堤坝管涌集中渗流通道形成机理及数值模拟

摘要

我国水利水电事业的快速发展,促进了众多水利工程的兴建,其中土石坝与堤防工程占据了相当大的比例,而堤坝工程的渗透变形与渗透破坏研究始终是堤坝研究的重点课题之一,而管涌的研究又一直是重中之重.在堤坝渗流过程中经常出现细粒运移的问题,对于细粒渗出层,渗流过程相当于浑水的出渗,所以管涌问题是最典型的浑水出渗问题,但目前所有解决浑水渗流的方法实质上是基于清水的渗流理论,忽略了渗流过程中泥砂运移的影响,这必然与实际情况不太相符,也导致所得的结果有较大的偏差.基于管涌与浑水出渗问题本质的相同,本文通过研究浑水出渗的过程对堤坝的管涌现象进行探索. 本文针对岩土工程界浑水出渗这一普遍的具有代表性的问题,提出了解决此问题的新方法.认为在浑水出渗过程中被渗透水流带走的泥砂引起了渗透系数和孔隙率的变化,同时渗透系数和孔隙率的增大又加强了渗透水流携带泥砂的能力,这是一个互相影响、相互促进的过程,基于此种理念,以达西定律的为基础,引用水力学水流携砂能力经典公式,利用数学方法推导出了浑水出渗的理论计算公式,给出了求解浑水出渗微分方程的差分形式,并利用Fortran语言编写程序,达到可以对一定体积土体的浑水出渗过程进行计算的目的,并得到浑水出渗过程中渗透系数、孔隙率和渗流量随时间变化的规律曲线. 本文在对堤坝管涌发生后产生集中渗流通道的机理进行了深入的分析,在此基础上,利用商业有限元软件Geo-Studio对管涌开始发生时的影响范围进行计算,利用自编浑水出渗程序对管涌影响范围内土体的渗透破坏过程进行计算,得到该范围内土体在管涌发展过程中的渗透系数、孔隙率和渗流量与时间的关系曲线,并将计算结果代回Geo-Studio,进行迭代计算.通过此种方法,可以模拟管涌集中渗流通道的形成过程,推算集中渗流通道的发展方向,为堤坝的抢险加固提供参考.

目录

文摘

英文文摘

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1.绪论

1.1堤坝工程发展现状

1.1.1世界土石坝发展现状

1.1.2我国土石坝发展现状

1.1.3我国堤防工程发展现状

1.1.4堤坝工程中存在的问题

1.2堤坝工程事故统计与分析

1.2.1堤坝工程事故的统计

1.2.2堤坝工程渗透破坏形式的分析

1.3渗透稳定研究现状与存在的问题

1.4本文研究内容与方法

2.渗透破坏机理研究

2.1渗流基本理论

2.1.1达西定律

2.1.2非达西流动

2.1.3渗透系数

2.2渗透破坏机理及工程实例

2.2.1渗流范围内的滑坡

2.2.2个别部位的集中渗透破坏

2.2.3 工程破坏实例

2.3管涌与流土

2.3.1管涌与流土破坏形式的判别

2.3.2抗渗临界水力坡降的计算方法

3.渗流基本方程及浑水出渗理论

3.1渗流基本方程及解法

3.1.1渗流分析方法简介

3.1.2渗流的连续性方程

3.1.3渗流的基本微分方程

3.1.4基本微分方程的定解条件

3.1.5渗流基本微分方程的有限元解法

3.2浑水出渗理论及其推导

3.2.1浑水出渗理论

3.2.2浑水出渗公式推导

4.浑水渗流理论数值模型试验

4.1模型选取

4.2堤基渗透破坏形式分析

4.2.1渗透破坏形式判别

4.2.2管涌临界水力坡降的计算

4.3堤基渗透破坏计算

4.3.1管涌口在堤内坡脚

4.3.2管涌口距堤内坡脚60米

4.4本章小结

5.青州某斜心墙土石坝渗透稳定性分析

5.1工程概况

5.1.1库区工程水文条件

5.1.2库区工程地质

5.1.3工程运行情况

5.2粘土斜墙坝渗流计算

5.2.1计算模型的建立

5.2.2斜墙坝渗透破坏形式分析

5.2.3反滤层管涌破坏计算

5.3本章小结

6.结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

附录