管涌現(xiàn)象細(xì)觀機(jī)理的模型試驗(yàn)與顆粒流數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文從細(xì)觀力學(xué)角度對(duì)管涌的形成與發(fā)展機(jī)制，進(jìn)行深入研究。將先進(jìn)的數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)引入管涌的室內(nèi)模型試驗(yàn)，攝錄土顆粒的移動(dòng)軌跡，確定形成管涌的臨界參數(shù)和識(shí)別分析管涌過(guò)程中管涌通道形成的機(jī)理。在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于散體介質(zhì)顆粒流理論及其分析方法等細(xì)觀力學(xué)手段，分析滲流與土介質(zhì)的共同作用機(jī)理，深入研究管涌現(xiàn)象形成以及發(fā)展過(guò)程的細(xì)觀力學(xué)機(jī)理。利用并開(kāi)發(fā)PFC2D和PFC3D計(jì)算軟件，對(duì)管涌現(xiàn)象形成與發(fā)展過(guò)程中土顆粒的移

2、動(dòng)規(guī)律以及水流在土體孔隙中的過(guò)程進(jìn)行細(xì)觀仿真模擬。并結(jié)合堤防工程的管涌險(xiǎn)情實(shí)例進(jìn)行分析研究，為預(yù)測(cè)和治理管涌險(xiǎn)情提供理論支持。 在研究和分析的過(guò)程中解決了以下四個(gè)技術(shù)難題：1、利用室內(nèi)模型試驗(yàn)確定形成管涌的臨界參數(shù)；2、通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)定試樣流失量的變化，以確定水頭壓力與顆粒移動(dòng)的關(guān)系；3、管涌的形成與發(fā)展過(guò)程中的細(xì)觀數(shù)值模型的仿真模擬。如何優(yōu)化數(shù)值模型，以解決目前軟件計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而不能滿足模擬要求的問(wèn)題；4、將顆粒流分析

3、技術(shù)、先進(jìn)的室內(nèi)模型試驗(yàn)量測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)有機(jī)融合。 在室內(nèi)模型試驗(yàn)方面，使用了先進(jìn)的數(shù)字圖像試驗(yàn)分析手段記錄管涌現(xiàn)象，取得有益于數(shù)值模擬的細(xì)觀參數(shù)。在數(shù)值模擬方面，摒棄了有限元理論模擬大變形和破壞問(wèn)題天然的局限性，使用能夠模擬破壞現(xiàn)象的顆粒流理論，利用并開(kāi)發(fā)顆粒流程序模擬管涌現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了使用細(xì)觀參數(shù)定量的確定宏觀參數(shù)的突破。本文在如下幾方面的研究值得重視： l、針對(duì)不同級(jí)配及細(xì)粒含量的土樣使用數(shù)碼相機(jī)和先進(jìn)的

4、數(shù)字圖像變形量測(cè)技術(shù)研究管涌過(guò)程中試樣的宏觀臨界參數(shù)，得到了管涌發(fā)生的臨界水力梯度，發(fā)展過(guò)程中的流速與水力梯度變化關(guān)系和流失量的變化規(guī)律以及宏觀的顆粒移動(dòng)情況和通道路徑的形成過(guò)程； 2、使用高分辨率的體視顯微鏡記錄局部土體管涌現(xiàn)象的細(xì)觀變化全過(guò)程，真實(shí)還原管涌現(xiàn)象產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程中細(xì)觀顆粒流失的路徑和顆粒相互之間的作用現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上采用先進(jìn)的數(shù)字圖像土體細(xì)觀組構(gòu)量測(cè)技術(shù)對(duì)管涌發(fā)生發(fā)展過(guò)程中細(xì)觀孔隙率變化規(guī)律以及細(xì)觀的顆粒之間的相

5、互作用關(guān)系規(guī)律進(jìn)行了研究，揭示了管涌發(fā)生發(fā)展過(guò)程的細(xì)觀力學(xué)機(jī)理； 3、通過(guò)不同組構(gòu)的等粒徑二維平面與三維空間模型的孔隙率轉(zhuǎn)換關(guān)系分析，建立實(shí)用的等粒徑的二維與三維孔隙率轉(zhuǎn)換關(guān)系公式，為使用PFC2D程序模擬土體的三維組構(gòu)關(guān)系提供了孔隙率轉(zhuǎn)換的依據(jù)； 4、利用并開(kāi)發(fā)PFC2D顆粒流程序?qū)Σ煌瑩饺肓康目蓜?dòng)顆粒試樣管涌現(xiàn)象進(jìn)行了細(xì)觀數(shù)值模擬。揭示了不同摻入量的可動(dòng)顆粒試樣管涌產(chǎn)生與發(fā)展過(guò)程中一系列的細(xì)觀參數(shù)變化規(guī)律，揭示管涌通

6、道形成了細(xì)觀力學(xué)機(jī)理； 5、利用并開(kāi)發(fā)PFC3D顆粒流程序?qū)Σ煌降目蓜?dòng)顆粒試樣在不同水壓力作用下的管涌現(xiàn)象進(jìn)行了細(xì)觀數(shù)值模擬。定量的確定了管涌發(fā)生的臨界水力梯度。揭示了不同粒徑的可動(dòng)顆粒試樣管涌隨水力梯度變化的一系列的細(xì)觀參數(shù)變化規(guī)律，揭示管涌發(fā)生發(fā)展過(guò)程中顆粒與水流相互作用關(guān)系，指出水與土之間的相互作用貫穿于整個(gè)管涌現(xiàn)象的全過(guò)程； 6、利用并開(kāi)發(fā)PFC3D顆粒流程序?qū)γ绹?guó)提堂壩管涌潰堤現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，事實(shí)證明PFC理論能