均质土坝管涌发展过程的渗流场空间性状研究

堤坝发生管涌破坏时,渗流场具有强烈的空间特性,管涌发展过程的数值模拟对于堤坝工程管涌预防与治理都具有重要的参考价值。提出以一维通道嵌入三维块体的方法,克服了在三维问题有限元模拟方法上存在的困难。在探讨均质土坝管涌发展过程模拟方法的基础上,使用数值方法分析了土坝管涌发展过程的渗流场时空分布特性;揭示了管涌发展过程中渗流力集中状况及其变化规律。研究表明,改善渗流场的形态是防治堤坝工程管涌的关键措施。     

基于渗流和管流耦合的管涌数值模拟

堤坝地基的渗透变形过程实际上是“土中水”转变为“水中土”的过程。在渗透变形发生的集中管涌通道区域,采用常规渗流分析理论,单纯增大管涌通道渗透系数的方法是不太合适的。在未发生渗透变形的区域,用常规渗流理论计算;在管涌通道区域,用管流理论,公共边界上两者之间水头相等、流量大小相等且方向相反,能够较好符合渗透变形的发展规律。为了适应计算过程中内部边界条件不断变化的特点,采用无网格法伽辽金法（element free Galerkin method,EFG）对渗流场进行计算。算例计算表明,这种渗流-管流耦合的方法能够模拟管涌通道绕过防渗墙等复杂的发展过程。     

三相耦合渗流侵蚀管涌机制研究及有限元模拟

管涌的发生、发展过程是土骨架相在渗流作用下侵蚀为可动细颗粒相,并随水相在孔隙通道中运移流失的过程。在该过程中,渗流与侵蚀相互耦合,相互促进,水相、土相、可动细颗粒相互作用,因此,管涌过程是一个多场、多相耦合的高度非线性的动态过程。现有的管涌试验结果表明,只有当水力梯度大于起始水力梯度时,细颗粒相才会随水相从土体中运移流失,土体才会发生管涌侵蚀,且管涌稳定后土体的孔隙率（稳定孔隙率）和水力梯度之间存在对应关系,根据该结果,提出管涌稳定孔隙率的概念,修正传统的渗流侵蚀本构方程,建立多孔介质中三相耦合的修正的渗流侵蚀管涌控制方程。最后,针对特定应力状态下的土体建立稳定孔隙率和水力梯度之间的对应关系。基于Galerkin有限元法编制有限元程序,在轴对称情况下对该土体的管涌过程进行数值模拟。结果表明,修正后的管涌控制方程能更全面地描述管涌发生、发展直至稳定状态的特性。     

砂土管涌机理的细观试验研究

利用显微摄像可视化跟踪技术、数字信息计算机实时处理技术,结合数字图像识别分析手段,对砂土管涌的整个过程进行跟踪记录,从细观角度揭示渗流过程中系统几何特性和水力特性的复杂变化。得到水头,水力梯度,颗粒位移场和孔隙率等量的动态变化过程,并对整个渗流过程中加压速率对管涌发展的影响,颗粒的运动特点,颗粒流失的分布特点以及渗漏通道的贯穿进行分析,揭示水土相互作用贯穿于管涌发展的全过程。     

流场法探测土石坝渗流矢量分布的有效性分析

利用电流场的电势微分控制方程与渗流场的流速势微分控制方程的相似性原理,流场法通过检测电流场的分布来确定渗流场,并能快速查明堤坝的管涌渗漏入口。为了更精确地描述土坝管涌的渗流分布及渗流方向,可以测试迎水面和背水面的水平方向与垂直方向的电位差,模拟渗流的矢量分布。从电流密度、电位微分及电位微分绝对值等方面,阐述了矢量流场法模拟渗流矢量分布的基本原理,并以某土石坝渗漏探测为例开展了验证工作。结果显示,矢量流场法可以有效揭示土石坝的渗流等级及渗流方向,结合流场法和矢量流场法探测成果,可为查明土石坝渗漏入口、渗流等级及渗流方向提供新的思路。     

基于能量测量的声呐渗流矢量法及其应用

为准确测定天然流场和人工流场下的地下水渗漏隐患,从能量测量的角度提出了一种水文地质测井的新方法——声呐渗流矢量法,系统地介绍了该方法的基本理论、原型仪器和测试步骤等内容。以时差法测量原理为基础,融合了矢量声呐技术、航空定向技术、压力传导技术、GPS定位等多种新技术,自主研发了声呐渗流测量仪及其显控软件,能够准确测定渗漏部位、渗漏通道以及流速、流向、流量等量化指标。并以富水地层地下连续墙基坑为工程案例,建立三维可视化渗流场成像系统,揭示三维空间渗流场分布特征,动态指导基坑渗控设计和堵漏处理,通过复测验证堵漏处理效果。结果表明:声呐渗流矢量法能够实现地下工程渗漏缺陷精准定位,在无强噪声干扰的情况下,检测结果完全满足工程渗控需要;提出以渗透流速为主、单孔渗流量和渗透系数为辅的基坑渗漏风险预警分级判定指标;结合地质勘察、监测预警、现场巡查、应急处置等手段,与其他方法相互验证,提前采取处理措施,有效规避渗漏水风险。     

复合含水层地区深基坑降水三维渗流场数值模拟以上海环球金融中心基坑降水为例

长江三角洲分布有巨厚、松散的第四纪沉积层,地下含水系统为一复合含水层系统,深基坑降水一般采用非完整井,且由于深基坑周围连续挡水墙难以深入含水层底板,所以其地下水渗流场变化极其复杂,具有明显的三维流特征。本文以上海环球金融中心深基坑降水为例,采用数值模拟方法,模拟了在多层含水层复合存在、含水层最深底板埋深达149m、基坑周围挡水连续墙埋深达34m、基坑内地下水位降深达26m的情况下的地下水三维渗流场特征,并以此为据确定出了该基坑降水的最优化方案。     

管涌与滤层的研究:管涌部分

对管涌和滤层两个相关联问题的研究发展过程进行了综述和评论,并将过去的研究成果与之比较。管涌问题是土体渗透变形的一个重要现象,关系到地基的渗流破坏。首先探讨了管涌的内在涵义,评述了当今管涌的研究现状及其发展方向,然后介绍了一些过去的试验资料、研究成果和计算公式,包括管涌土与非管涌土的判别方法,垂直向上渗流和水平渗流时的管涌临界坡降,并引用目前文献中的试验资料验证其公式是可靠的,最后说明了建立在土颗粒级配曲线上的管涌研究方法是当前的研究趋势,因而对这些过去的研究成果进行比较、讨论是有益的。     

基坑工程降水渗流场特性分析

基于Biot固结理论和Terzaghi有效应力原理,采用有限元法对深基坑工程降水渗流场进行应力场与渗流场耦合的数值模拟。结合南京九华山隧道基坑工程降水实例,分析了基坑降水水位线的形状、流速分布及地表沉降规律;比较了降水井不同布置、井深对基坑渗流场及周围地表沉降的影响,其结果有助于进一步了解地下水与土体相互作用机理,并为基坑工程降水井的设计提供可靠的指导。     

基于改进阻力系数法的悬挂式帷幕基坑渗流计算

帷幕结合基坑内降水的方案是深基坑工程中地下水控制的主要趋势,由于基坑渗流场的复杂性和尺度效应,业内尚无成熟且精确的解析计算方法.在分析悬挂式帷幕基坑与闸坝渗流场特点异同的基础上,对闸坝改进阻力系数法进行修正,提出了承压水条件下悬挂式帷幕基坑渗流段的分段方式,推导了新的考虑基坑特殊段"水平汇流段"的等效阻力系数计算公式,...     

悬挂式防渗墙结合堤后压渗盖重防渗效果的试验研究

在实验室模型槽中进行了有悬挂式防渗墙以及堤后压渗盖重的渗流模型试验,取得了不同贯入度以及不同堤后压渗盖重宽度防止堤基渗透变形的系列试验成果。通过一系列试验结果表明,悬挂式防渗墙和堤后压渗盖重可有效地提高强透水层堤基抵抗渗透变形的能力,且在控制渗透变形向上游发展的作用上功效显著。研究表明,堤后压渗盖重的防渗效益往往低于较大贯入度的防渗墙,但从经济角度来看,不失为一种有效可靠的防渗措施。     

长空渣场岩溶渗漏污染预测

通过水文地质勘查,分析了渣场的地质构造、岩溶发育及水文地质条件,基本弄清了长空渣场的岩溶渗漏方向：当渣场堆渣高程为1261．0—1263．5m,向北渗漏;当堆渣高程超过1263．5m,直至1290．0m,将会造成发散性渗漏,即向北、向南东及向西产生邻谷渗漏。用一维水动力弥散公式进行了渗漏污染预测评价。根据岩溶渗漏类型,提出了渣场应采取压实粘土加铺设高密度聚乙烯膜（HDPE膜）全水平防渗措施。     

增设排水廊道对大坝渗流场的影响分析

通过对大坝增设排水廊道设计方案的研究,提出了两种含自由面的三维稳态渗流有限元分析算法,即松驰型算法及丢单元法。并比较了两种算法的计算精度,最后用丢单元法对丰满大坝进行了三维渗流分析,得出了在大坝内增开排水廊道会降低下游渗出点的结论,强度计算表明该方案的实施对大坝的安全性能不会造成很大影响。     

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。     

降雨条件下岩土饱和-非饱和渗流分析

基于Buckley-Leverett两相渗流方程,提出了新的岩土饱和-非饱和渗流数学模型,利用有限差分方法给出了隐式压力显示饱和度数值求解方法,编制了饱和-非饱和渗流计算程序.结合工程实例,模拟了降雨入渗条件下边坡岩体渗流场孔隙压力变化和含水饱和度变化,模拟结果验证了所提出的模型对饱和-非饱和渗流的有效性.     

水泥-水玻璃注浆在围堰防渗漏浆处理中的应用

漏浆是围堰防渗注浆过程中常遇到的工程现象,采取合理有效的方法解决漏浆问题对注浆效果具有重要的工程意义。针对引黄工程某围堰防渗注浆过程中的大量漏浆问题,对现场工程情况及漏浆原因进行了分析,提出采用水泥-水玻璃双液注浆的解决方案。在分析水泥-水玻璃浆液凝结硬化机理基础上,主要从注浆材料、注浆方法、注浆压力、注浆结束条件及封孔等方面对其注浆技术的现场应用情况进行了分析。检查孔压水试验表明,通过水泥-水玻璃注浆处理后,漏浆地层透水率大幅减小,满足工程设计要求,达到漏浆封堵效果。     

裂隙岩体渗流特性物模试验研究进展

简要综述了国内外裂隙岩体单裂隙、水力耦合、非饱和及考虑填充物情况下的渗流特性物模试验研究成果,并做了相应的分析和讨论。分析表明：物模试验在研究裂隙岩体渗流特性方面具有不可替代的作用;需要进行更多的模拟实际岩体裂隙的试验;反映剪应力或三维应力影响的物模试验是一个需要加强的方向;真正意义上的非饱和渗流试验还很少;填充裂隙渗流的研究更具实际意义,也待于加强。分析结果为今后的裂隙岩体渗流特性物模试验研究提供了有益的方向