本文選題：管涌 + 土體內(nèi)部侵蝕��； 參考：《清華大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：管涌是威脅土石壩與堤防安全的重要隱患。由于它的發(fā)生難以預(yù)測、過程無法觀測,為科學(xué)認(rèn)識其物理現(xiàn)象和機(jī)制造成了較大困難。早在上個(gè)世紀(jì)初,已不斷有學(xué)者的試驗(yàn)?zāi)M、理論研究,但由于對細(xì)觀侵蝕機(jī)制的研究仍不深入,仍然缺乏模擬管涌侵蝕發(fā)展過程、評估工程防控措施效果的數(shù)學(xué)模型方法。本文基于無粘性土中管涌侵蝕的細(xì)觀力學(xué)機(jī)制開展研究,取得了如下成果:建立了考慮顆粒侵蝕和管涌通道尖端破壞機(jī)制的管涌侵蝕發(fā)展數(shù)學(xué)模型。該模型基于滲流-管流耦合的流場求解方法,考慮滲流作用力、顆粒自重及摩阻力的共同作用,模化侵蝕發(fā)生的力學(xué)機(jī)制。結(jié)合土體自身性質(zhì)如級配曲線,孔隙度及滲透系數(shù),考慮滲流侵蝕過程中的土-水耦合效應(yīng),提出以最大侵蝕量方向?yàn)榕袛喙苡客ǖ腊l(fā)展方向的依據(jù),并以土體臨界孔隙度作為判別管涌通道尖端侵蝕破壞的條件,確定土體內(nèi)部侵蝕的侵蝕量。以符合土體內(nèi)部侵蝕的泥沙侵蝕規(guī)律,確定管涌通道侵蝕發(fā)展的速率。同時(shí),模型考慮了土體各向異性特性的影響。因此,模型可定量表達(dá)管涌通道尖端土體顆粒脫離骨架、被水流攜帶輸移的細(xì)觀物理機(jī)制,并可反映土體在不同密實(shí)度情況下發(fā)生管涌貫穿破壞的差異。應(yīng)用經(jīng)過驗(yàn)證的管涌動態(tài)發(fā)展模型,研究懸掛式防滲墻作用機(jī)制。發(fā)現(xiàn)懸掛式防滲墻使管涌通道發(fā)展過程分為三個(gè)階段,繞墻段的發(fā)展由于侵蝕方向的改變,顆粒臨界起動條件增大,是懸掛式防滲墻發(fā)揮作用的關(guān)鍵;同時(shí),懸掛式防滲墻改變其周圍局部流場,降低了當(dāng)?shù)赝令w粒侵蝕的滲流作用力。如果潛在管涌發(fā)生點(diǎn)不在防滲墻的影響范圍內(nèi),則防滲墻對管涌發(fā)生條件的影響微弱。此外,懸掛式防滲墻墻深、墻的位置以及土體滲透系數(shù)各向異性程度,都影響懸掛式防滲墻的滲控效果。通過對我國典型堤防的案例分析,發(fā)現(xiàn)工程中現(xiàn)有懸掛式防滲墻墻深經(jīng)驗(yàn)公式(墻深為1-1.5倍水頭)存在一定的適用條件,僅在墻深大于8米的情況下適用。同時(shí),土顆粒級配、懸掛式防滲墻位置及土體密實(shí)程度均會影響懸掛式防滲墻的作用效果。
[Abstract]:Piping is an important hidden danger to the safety of earth-rock dams and levees. Because its occurrence is difficult to predict and the process can not be observed, it is difficult to understand its physical phenomena and mechanism scientifically. As early as the beginning of last century, there have been a lot of scholars' experimental simulation and theoretical research, but because the research on the mechanism of mesoscopic erosion is still not thorough, there is still a lack of mathematical model method to simulate the development process of piping erosion and to evaluate the effect of engineering prevention and control measures. In this paper, the mesomechanical mechanism of piping erosion in cohesive soils is studied, and the following results are obtained: a mathematical model of pipeline erosion development considering particle erosion and pipeline tip failure mechanism is established. The model is based on the coupled flow field solution of seepage and pipe flow, considering the interaction of seepage force, particle weight and frictional resistance, and the mechanical mechanism of modeling erosion. Considering soil properties such as gradation curve, porosity and permeability coefficient, considering the soil-water coupling effect in seepage erosion process, this paper puts forward that the direction of maximum erosion amount is the basis for judging the development direction of pipeline. The critical porosity of soil is taken as the condition of judging the erosion failure of the tip of the pipeline, and the erosion amount of the soil is determined. In order to accord with the law of soil erosion, the rate of erosion development of pipeline is determined. At the same time, the influence of soil anisotropy is considered in the model. Therefore, the model can quantitatively express the meso-physical mechanism that the soil particles at the tip of the pipeline break away from the skeleton and be transported by the water flow, and can reflect the difference of the penetration failure of the soil mass under different compactness. The mechanism of suspension cutoff wall is studied by using the proven dynamic development model of piping. It is found that the development process of the suspended cutoff wall can be divided into three stages, and the critical starting condition of the particles increases due to the change of the direction of erosion, which is the key to play the role of the suspended cutoff wall, and at the same time, The suspended cutoff wall changes the local flow field and reduces the seepage force of local soil particle erosion. If the potential piping occurrence point is not within the scope of the influence of the cutoff wall, the influence of the cutoff wall on the occurrence condition of the pipe surge is weak. In addition, the depth of the wall, the location of the wall and the anisotropy of the soil permeability coefficient all affect the seepage control effect of the suspended impermeable wall. Based on the analysis of typical levees in China, it is found that there are some applicable conditions for the existing empirical formula of wall depth of suspended impervious wall (the depth of wall is 1-1.5 times of water head), which can only be applied if the depth of wall is more than 8 meters. At the same time, the gradation of soil particles, the location of suspended cutoff wall and the compactness of soil will all affect the effect of suspension cutoff wall.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TV223.4

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本文編號：2113841