堤基管涌演化機(jī)制及其數(shù)值模擬研究.pdf

1、堤基管涌是堤防工程中的重大災(zāi)害，它的發(fā)生常常導(dǎo)致堤防失穩(wěn)、坍塌甚至潰堤事故，造成重大人員財(cái)產(chǎn)損失。管涌的演化機(jī)制是管涌研究的核心問題，也是水利工程界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)課題。本文針對(duì)堤基管涌的演化機(jī)制問題，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、力學(xué)分析方法、非線性動(dòng)力學(xué)中的自組織臨界性理論以及顆粒元方法，研究管涌的各種影響因素并進(jìn)行堤基分類；在此基礎(chǔ)上深入開展堤基管涌的演化機(jī)制研究，建立管涌的力學(xué)模型，并推導(dǎo)相關(guān)判據(jù)，采用自組織理論解釋管涌通道演化特征并建立

2、其自組織演化模型；最后采用顆粒流方法開展管涌的數(shù)值模擬研究。主要成果包括： 1.基于管涌易發(fā)程度的堤基等級(jí)劃分方法及預(yù)測(cè)研究。從堤基滲透變形的表現(xiàn)形式入手研究管涌的滲透特征，對(duì)影響堤基管涌的各種因素展開探討，確定了衡量堤基管涌易發(fā)程度的定量指標(biāo)；制定了管涌易發(fā)程度的堤基等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)；采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，預(yù)測(cè)堤基管涌易發(fā)性安全等級(jí)，在實(shí)際堤防工程中的成功應(yīng)用表明了該方法的適用性。 2.堤基管涌的力學(xué)模型建立和演化機(jī)制研究

3、。對(duì)于單層堤基，在分析其滲透特征基礎(chǔ)之上，將堤基按不同的受力條件和滲透特征進(jìn)行區(qū)域劃分，選取各區(qū)域中的代表性特征單元，研究單層土顆粒較均勻時(shí)管涌的發(fā)生原因和發(fā)展過程，推導(dǎo)管涌的臨界坡降，并通過計(jì)算分析，得到了管涌出口位置應(yīng)在堤腳內(nèi)側(cè)1m范圍內(nèi)的結(jié)論。對(duì)于雙層堤基，針對(duì)管涌邊界條件與誘發(fā)因素的不同，劃分了的五種堤基型式，研究了各種型式下的管涌特征；從顆粒受力平衡、流速、雙層堤基滲透特征、橫縱向滲透比降等角度出發(fā)，對(duì)管涌口的形成和擴(kuò)展過程以

4、及管涌通道等現(xiàn)象進(jìn)行分析和解釋；考慮堤基管涌演化過程中的覆蓋層破壞、顆粒流失、內(nèi)部通道形成等關(guān)鍵控制因素，將堤基管涌分為承壓水型管涌，集中滲流型管涌以及混合型管涌三種類型，從其發(fā)展過程中主導(dǎo)因素的作用入手，分析了管涌演化過程中不同發(fā)展階段的規(guī)律性，提出了管涌破壞中顆粒流失的三粒組顆粒分析模型；采用泥沙動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)方法，分別推導(dǎo)了黏土覆蓋層破壞判據(jù)、管涌口附近地層顆粒起動(dòng)判據(jù)以及內(nèi)部顆粒水平流失的判據(jù)。 3.管涌的非線性動(dòng)力學(xué)

5、演化機(jī)制。首次在管涌問題中引入了自組織臨界性理論，探索了管涌演化過程中系統(tǒng)內(nèi)部不同因子間的非線性作用的動(dòng)態(tài)行為特征，研究了管涌土層薄弱帶的自組織演化過程；通過對(duì)管涌實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，明確了管涌系統(tǒng)演化過程中的自組織特征；進(jìn)而采用重化群方法建立了管涌演化的自組織臨界性的物理模型，并對(duì)管涌的自組織臨界點(diǎn)的特征進(jìn)行研究。 4.管涌的二維顆粒元數(shù)值模擬。在研究顆粒元基本理論和接觸模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合流——固耦合方法，針對(duì)北江大堤石角段的實(shí)際

6、管涌問題，應(yīng)用顆粒流程序平臺(tái)PFC2D，對(duì)雙層堤基管涌口顆粒逸出問題進(jìn)行仿真模擬，通過模擬實(shí)驗(yàn)，確定堤基中管涌顆粒表征參數(shù)，采用線性接觸剛度和平行粘結(jié)本構(gòu)模型分別定義砂性土層和黏土層的接觸模型，得到管涌口從發(fā)生到擴(kuò)展的演化過程；采用FISH語(yǔ)言開發(fā)程序，得到流失量、孔隙率、流速等參數(shù)，分析了顆粒流失過程中相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律。 5.管涌的三維顆粒元數(shù)值模擬與應(yīng)用。應(yīng)用三維顆粒流程序平臺(tái)PFC3D，針對(duì)北江大堤石角段實(shí)際地層條件建立