心墙堆石坝渗透稳定可靠性分析的随机响应面法

将大规模渗流有限元计算与随机响应面法相结合,对双江口心墙堆石坝进行渗透稳定可靠性分析。在基于随机响应面法的可靠度分析框架内,堆石坝稳定渗流有限元计算过程和可靠度分析过程分开独立进行,通过对心墙渗透坡降较大区域的节点建立统一的渗透稳定功能函数,采用渗流有限元分析方法和随机响应面法,计算出该区域每个节点处的渗透破坏失效概率,并将最大失效概率作为心墙的失效概率。最后,分析了心墙渗透系数、覆盖层渗透系数、上游水位与心墙具有最大失效概率节点处渗透坡降的相关关系,以及心墙渗透系数和上游水位的变异性对心墙渗透破坏失效概率的影响。计算结果表明,随机响应面法3阶Hermite展开就能够保证良好的计算精度,且计算耗时较小;双江口堆石坝心墙具有最大失效概率节点处的渗透坡降与上游水位密切相关,而与心墙本身的渗透系数呈弱负相关关系,与覆盖层渗透系数的相关性不显著;随着上游水位变异性的增大,心墙失效概率急剧增大,而这种效应对于心墙渗透系数并不明显。研究成果为随机响应面法在实际工程中的应用奠定了一定的基础。     

堆石坝非达西渗流场分析

坝体的渗流计算常采用近似的线性渗流计算方法,然而对于堆石结构而言,在高水力梯度的作用下,由于流体惯性力与紊流的影响,水力梯度与渗流流速之间偏离了线性的达西定律,堆石体中不同孔隙介质的交界面错综复杂更增加了渗流场形态的复杂性。此时,使用非达西渗流的计算方法,可以提高渗流计算的精度,更加客观地描述渗流场中的渗流行为。基于伽辽金加权余量法推演了Forchheimer方程的非线性有限单元法公式,应用该方法对堆石坝渗流场问题进行了数值模拟计算,并给出了工程实例。研究表明,用该方法可以很好地研究渗流场中的非达西渗流现象。对比达西渗流计算与非达西渗流计算结果之间的差异,得出了非达西渗流计算的意义。对堆石坝结构而言,非达西渗流计算的结构显示渗流场的局部区域可能出现高水力坡降区域扩散的现象。此外,水力坡降峰值对比达西渗流计算结果有所增大,这说明真实渗流场的水力坡降峰值有可能超出材料的临界水力坡降允许值,从而引起坝体的渗透破坏。     

板桥河左岸堤防渗透破坏风险分析

以板桥河左岸堤防加固工程为背景,提出了一条基于确定性渗流有限元进行堤防渗透破坏风险分析的途径,并对板桥河堤防渗透破坏风险进行了分析研究,根据分析结果对堤防渗透稳定性进行了评价。所采用研究方法发挥了有限元的优点,能够模拟堤防场地土层实际分布情况,较准确地计算洪水位下运行堤防背水面水力坡降。根据“端点组合-单调性法”理论和“3?”法则,通过1995年堤防典型破圩实例建立起整个堤防的抗渗临界水力坡降、渗透破坏风险率的临界值以及堤防汛期防渗的警戒水位,对整个板桥河堤防渗透稳定性评价工作具有非常重要的意义,其分析方法以及研究思路可供同类堤防工程的渗透稳定性评价工作借鉴。     

洙浴水库大坝运行现状及渗流复核计算分析

洙浴水库位于陕西省宝鸡高新技术开发区马营镇洙浴村西南,大坝为均质土坝,坝高18 m,目前已运行四十多年,因年久失修,大坝迎水坡干砌石破坏严重,背水坡雨水冲蚀,坡面不整,存在严重安全隐患。按照大坝加固设计原则,对大坝稳定问题进行渗流复核计算,考虑水库运行中出现的各种不利条件,按照三种不同工况对现状及加固后大坝各工况大坝单宽流量和渗流进行计算分析,结果显示:大坝的单宽流量最大为1.34 m~3/d·m,水力坡降为0.063,大坝体出溢点渗透坡降小于土体允许渗透坡降,表明现状大坝在稳定渗流作用下是安全的,不会发生渗流破坏。研究结果为大坝后期除险加固和安全运行提供了理论依据。     

砂性土细颗粒起动临界水力坡降计算方法

地下水渗流作用下内部不稳定砂性土将发生潜蚀现象,潜蚀作用引起的土体渗透破坏会对土工建筑物或地基造成不良影响。考虑土体有效应力和细颗粒应力折减,建立渗流场中细颗粒受力模型,根据极限受力平衡状态得到潜蚀过程中砂性土细颗粒起动临界水力坡降计算公式,并通过DEM-CFD耦合方法以及现有试验数据进行验证。结果表明：砂性土中细颗粒以滚动方式起动,起动临界水力坡降受渗流水流、土体特性以及颗粒自身特性共同影响;砂性土表层细颗粒起动临界水力坡降受埋深影响较大,埋深1 cm的细颗粒最高、最低起动临界水力坡降相差10.169%,埋深10 cm时差异减少至1.061%。该计算方法与数值模拟和渗流试验结果的最大标准误差分别为6.038%、11.211%,可以较为准确地预测砂性土细颗粒起动临界水力坡降。     

洞庭湖区堤防垂直防渗模型研究

根据洞庭湖区堤防工程地质、地形特性,建立了多元结构堤基垂直防渗概化模型,并按照优化思想,采用渗流有限元法,对垂直防渗墙在砂卵石、相对不透水堤基中的贯入深度和堤内最大渗透坡降的位置、大小的关系做了系统地分析研 究。再根据有限元计算结果,全面地评价了两种型式防渗墙的防渗效果,提出了临界最优贯入深度的概念。最后,将有限元法应用到大东口电排高喷防渗墙工程中,实际工程的安全运营表明了研究结果的正确性和实用性。     

基于MIDAS的尾矿边坡三维流固耦合稳定性分析

针对尾矿坝边坡稳定性问题,使用三维有限元软件计算,对吉林省集安石墨尾矿坝进行渗流-应力-边坡耦合分析。渗流分析基于三维介质达西定律,通过不断改进工况条件来降低浸润线溢出部位,保证坝体不会发生渗透破坏。同时,尽量降低溢出部位的应力坡降,保证坝体不会发生流砂、管涌等形式渗透破坏。在渗流计算的基础上,进行渗流-应力-边坡耦合,不断改进尾矿边坡的坡角和高度等要素,得到强度折减法下的尾矿边坡稳定性系数。通过理论计算和验证,提出了一种便于施工的排渗体布置方式,并验证了排渗体的可靠性,为尾矿坝具体施工提供了技术支持。     

渐进坍塌型崩岸的力学机制及模拟

针对渐进坍塌型崩岸,从土力学和河流动力学两方面理论出发,建立了岸坡稳定的力学模式,结合室内概化模拟试验和数值计算,分析了岸坡稳定或破坏的力学机制,揭示了缓坡出现崩岸的原因。结果表明,岸坡坡脚未受水流冲失时,若坡内渗流出逸坡降小于渗透破坏的临界坡降,岸坡处于稳定状态,当坡脚被水流冲失后,渗流渗径缩短,水土结合处坡面出逸坡降增大,大于临界坡降时则出现渗透破坏,引起局部小幅度土体崩塌,其后部土体失去支撑而陆续产生失稳破坏,随着时间的延长,土体崩塌现象逐步向后发展,最终导致岸坡整体崩塌破坏。     

渐进坍塌型崩岸的力学机制及模拟

针对渐进坍塌型崩岸,从土力学和河流动力学两方面理论出发,建立了岸坡稳定的力学模式,结合室内概化模拟试验和数值计算,分析了岸坡稳定或破坏的力学机制,揭示了缓坡出现崩岸的原因。结果表明,岸坡坡脚未受水流冲失时,若坡内渗流出逸坡降小于渗透破坏的临界坡降,岸坡处于稳定状态,当坡脚被水流冲失后,渗流渗径缩短,水土结合处坡面出逸坡降增大,大于临界坡降时则出现渗透破坏,引起局部小幅度土体崩塌,其后部土体失去支撑而陆续产生失稳破坏,随着时间的延长,土体崩塌现象逐步向后发展,最终导致岸坡整体崩塌破坏。     

砂砾石与砂接触冲刷试验研究

渗流作用下土层之间的接触面是较易发生渗透破坏的薄弱环节。在开展砂砾石渗透破坏试验研究的基础上,针对砂砾石与砂的接触面渗流及渗透破坏特性,利用大型竖向渗透仪和自主研制的环状径向水平渗透仪,研究了竖向和水平渗流作用下接触面渗流和渗透破坏的影响因素及接触冲刷的发生、发展过程。研究结果表明,典型的砂砾石与砂的接触冲刷破坏过程可分为稳定渗流阶段、过渡阶段和破坏阶段3个阶段,可用2个特征水力坡降进行划分,稳定渗流阶段与过渡阶段的分界点对应的水力坡降称为启动坡降,过渡阶段与破坏阶段的分界点对应的水力坡降称为破坏坡降;砂砾石与砂组合试样的渗透系数随砂砾石密度的增大、颗粒变细而减小,砂砾石与砂接触冲刷的抗渗坡降则随砂砾石密度的增大、颗粒变细而增大,在水平渗流情况下试样的渗透系数较竖向的大,但接触冲刷的抗渗坡降较竖向的小。     

Foundation Stability of a Levee

Stability of a levee and its foundation soil during flood is governed by seepage forces. In this study, the seepage forces in the flow domain have been determined using conformal mapping technique. Stability of foundation soil has been studied for a levee with and without cut-off wall on permeable soil of infinite depth. In situ effective normal and shear stresses due to self-weight, additional induced stresses due to levee structure and ponded water on upstream sloping face have been determined by assuming soil to be elastic. Besides, components of seepage stress acting at a point on two orthogonal planes, i.e., on vertical and horizontal planes, are considered and the Mohr’s circle is drawn. Mohr–Coulomb failure envelope is drawn for the foundation soil with known effective cohesion ( $c^{\prime}_{1}$ c 1 ′ ) and angle of internal friction ( $\varphi^{\prime}_{1}$ φ 1 ′ ), and then the stability of the foundation soil has been assessed. Probable zone of general shear failure considering seepage flow has been identified. Zones vulnerable to foundation failure for different width of levee and depth of cut-off wall have been computed. The hydraulic unstable zone in downstream side of the levee resembles a log spiral. The provision of cut-off wall restricts the progress of failure zone only in the downstream side; otherwise, the zone of failure will enter the foundation of the levee. The stability of the foundation soil of an existing ring levee along the rivers Ganga, Sone and Punpun, near Patna (India), has been evaluated.     

粉砂地基深基坑工程土体渗透破坏机理及其影响研究

在砂土和粉土地区,渗透破坏是威胁基坑稳定性和周围环境的主要因素。基坑工程是由土、水以及围护结构组成的一个复杂系统,影响基坑工程渗透破坏的因素很多。在总结前人对土体渗透破坏与基坑工程渗透破坏模式的研究基础上,结合渗流对土体性质影响的试验成果,提出了考虑渗流、开挖卸荷以及围护结构变形共同作用的基坑工程渗透破坏分析方法,并分析了均质地基基坑工程的渗透破坏模式。将该方法运用于某粉砂地基基坑渗透破坏工程实例,通过有限元数值模拟,揭示了渗透破坏过程及其对围护结构的影响。通过对该基坑工程实例的分析认为,在进行基坑工程设计时不仅需要进行防止流砂、管涌等验算,还需考虑基坑工程整体破坏的可能性。     

Mitigation of levee failures using deep mixed columns and geosynthetics

Stability of levees is critical to the safety of human and structures, especially at high water levels. Levees may fail due to the existence of soft soil foundations or seepage of water through the levees or rapid drawdown. Deep mixing technology has been considered one of the good alternatives to solve foundation and seepage problems while geosynthetics can be used to stabilize slopes during rapid drawdown. Studies have shown that deep mixed columns and geosynthetics can increase the stability of highway embankments over soft soils. In those studies, however, no ponding water exists on either side of the embankment, which is not the case for levees. Experimental studies have shown that deep mixed columns under a combination of vertical and horizontal force could fail due to shear or tension/bending or rotation. A finite difference method, incorporated in the FLAC (Fast Lagrangian Analysis of Continua) Slope software, and a limit equilibrium method (specifically Bishop's method), incorporated in the ReSSA software, were adopted in this study to investigate the stability of the levee with ponding water or under rapid drawdown. In this study, deep mixed columns were installed in continuous wall patterns, which were modeled as 2D deep mixed walls. Geosynthetic layers were modeled using cable elements with grout properties between geosynthetic and soil in the numerical analysis. Mohr-Coulomb failure criteria were used for the levee, the soft soil, and the deep mixed walls. The stability of a levee at different stages (end of construction, average service condition, high water surge, and rapid drawdown from the service condition and the highest water level condition) was examined. The study clearly demonstrated that the deep mixed walls can enhance the stability of the levee by providing shear/moment resistance and hindering seepage through the levee and geosynthetics can enhance the riverside slope stability of the levee by providing tensile resistance to the soil.     

Liquefaction analysis and damage evaluation of embankment-type structures

The increasing importance of performance-based earthquake engineering analysis points out the necessity to assess quantitatively the risk of liquefaction of embankment-type structures. In this extreme scenario of soil liquefaction, devastating consequences are observed, e.g., excessive settlements, lateral spreading and slope instability. The present work discusses the global dynamic response and interaction of an earth structure-foundation system, so as to determine quantitatively the collapse mechanism due to foundation’s soil liquefaction. A levee-foundation system is simulated, and the influence of characteristics of input ground motion, as well as of the position of liquefied layer on the liquefaction-induced failure, is evaluated. For the current levee model, its induced damage level (i.e., induced crest settlements) is strongly related to both liquefaction apparition and dissipation of excess pore water pressure on the foundation. The respective role of input ground motion characteristics is a key component for soil liquefaction apparition, as long duration of mainshock can lead to important nonlinearity and extended soil liquefaction. A circular collapse surface is generated inside the liquefied region and extends toward the crest in both sides of the levee. Even so, when the liquefied layer is situated in depth, no significant effect on the levee response is found. This research work provides a reference case study for seismic assessment of embankment-type structures subjected to earthquake and proposes a high-performance computational framework accessible to engineers.     

降雨入渗对残积土填坡渗流变形数值模拟分析

许多研究已经证实了降雨引起的渗流能降低填土稳定性,特别是对于非饱和残积填土。降雨能使残积填土内形成渗流潜蚀破坏,并使地下水位和孔隙水压力发生变化,导致抗剪强度下降形成潜在破坏面,最终发生破坏。利用有限元数值分析,研究等降雨强度与降雨持续时间对于福建地区残积填土的影响,发现降雨强度变大或持续时间延长都能使残积填土内的地下水位上升,局部区域孔隙水压力增大,渗流速率也发生变化,从而影响残积填土的稳定性。另外,证实了存在降雨临界持续时间,一旦降雨持续时间超过了临界持续时间,地下水位线高度随降雨持续时间变长而降低,安全系数就转而变大。     

粉砂地基深基坑渗透破坏研究

在地下水丰富的砂土和粉土地区进行深基坑开挖,坑内降水施工或渗漏引起的渗透破坏问题是威胁基坑稳定性和周围环境的主要因素。通过模型试验结合数值模拟,研究了土体密实度、黏聚力、内摩擦角、桩土界面摩擦特性以及围护结构插入深度等因素对临界水力梯度以及渗透破坏模式的影响。研究表明,发生渗透破坏时的水力坡降不仅与土的密实度有关,还与土性、强度指标、桩表面粗糙度以及围护结构的插入深度等因素有关,这些结论为实际基坑工程分析提供了指导。     

城区渗流场中建筑物间缝隙有限元简化分析方法

为解决城区渗流场中缝隙多、区域的大尺度与物体的小尺寸相差了几个数量级,有限元分析上存在的困难,根据缝隙流动的解析解,经适当地简化,将缝隙附近的渗流场分为缝外区和缝内区两部分,将缝外区流动简化为一个半径为半缝宽的井流,缝内区流动简化为一个均匀流。引入附加阻力系数,考虑缝隙出入口附近的由于过水断面突然变化而引的局部水头损失,并得到附加阻力系数的表达式。利用该式,结合渗流场中井点水头的修正公式,得到了能有效模拟渗流场中建筑物间缝隙的修正线单元公式。利用该线单元编制了相关程序模拟城区渗流场中的缝隙,使得缝隙出入口处的网格尺寸为缝隙两边的建筑物边长1/3～1/4时就能得到较为准确的结果,避免了区域性渗流场中小尺寸物体的网格划分问题,通过算例验证了该公式的精度和边界适应性。     

城区渗流场中建筑物间缝隙有限元简化分析方法

为解决城区渗流场中缝隙多、区域的大尺度与物体的小尺寸相差了几个数量级，有限元分析上存在的困难，根据缝隙流动的解析解，经适当地简化，将缝隙附近的渗流场分为缝外区和缝内区两部分，将缝外区流动简化为一个半径为半缝宽的井流，缝内区流动简化为一个均匀流。引入附加阻力系数，考虑缝隙出入口附近的由于过水断面突然变化而引的局部水头损失，并得到附加阻力系数的表达式。利用该式，结合渗流场中井点水头的修正公式，得到了能有效模拟渗流场中建筑物间缝隙的修正线单元公式。利用该线单元编制了相关程序模拟城区渗流场中的缝隙，使得缝隙出入口处的网格尺寸为缝隙两边的建筑物边长1/3～1/4时就能得到较为准确的结果，避免了区域性渗流场中小尺寸物体的网格划分问题，通过算例验证了该公式的精度和边界适应性。