基于有限元法的土石坝除险加固渗流问题分析

土石坝坝体在坝前水位作用下极易产生渗流,为研究坝体加固对渗透水压的影响,针对具体水库实例,采用有限元法对除险加固前/后的坝体进行渗透坡降、单宽渗流量、准流网等计算,分析3种工况下的渗流过程,为土石坝的除险加固设计提供参考。结果表明:加固后上游坡各工况下的安全系数明显提高,其中单宽渗流量最大,可达0.636m~3/d,远大于规范允许值。     

土石坝安全监测与有限元模拟

土石坝的安全监测包括两个部分,一是关于应力的监测,主要是孔隙水压力的监测;二是变形的监测,包括地表沉降、地基深层分层沉降、坝肩水平位移等.实际工程表明,土石坝在填筑施工中出现安全问题时,超孔隙水压力与坝肩水平位移会明显偏大,结合地表沉降与坝基深层位移监测结果能够对坝体施工安全有效预警.为研究土石坝坝体与软弱地基的沉降、...     

加筋土石坝小型振动台模型试验分析

土石坝振动台模型试验是认识坝体地震破坏过程和检验抗震措施效果的重要手段之一。针对2种坝体材料,利用小型振动台,开展了一系列不同加载工况、不同加筋方式的土石坝小型振动台模型试验。试验结果表明：①2种坝体材料的初始破坏都首先从坝顶开始,表明坝顶是抗震的关键部位,与已有研究成果基本一致;②相同加载条件下,级配较差的碎石料模型坝的抗震性能优于砂砾石料,表明相对于级配,堆石料自身的性质对土石坝抗震性能的影响更大;③由细铁丝网和纱布组成并在坝坡采取包裹处理的复合加筋的抗震措施,抗震效果优于平铺纱布、平铺纱布且在坝坡包裹处理、平铺细铁丝网等的抗震措施。研究成果可供进一步开展土石坝大型振动台模型试验的材料选择、抗震措施设计等参考。     

深厚覆盖层上心墙堆石坝强震动力响应分析

土石坝由于施工便捷、取材方便,是目前我国西部比较常见的一种坝型。但西部地区地震活动频繁且烈度较高,特别是一些土石坝坝基下存在深厚覆盖层,对土石坝的地震动力响应有重要影响。采用黏弹性模型-等效线性化方法对国内某拟建土石坝进行三维动力响应分析。考虑到实际土石坝坝体是不完全排水的,将根据经验公式得到的残余体变分成两部分,一部分转化为残余孔压,另一部分为产生的残余变形。根据有限元计算结果,分析在坝基深厚覆盖层影响下坝体残余变形、加速度响应、残余孔压等动力反应的特征和分布规律。计算结果符合一般规律,说明本文采用的计算方法适用于含深厚覆盖层心墙堆石坝的静动力分析。     

爆炸荷载下土石坝动力响应特征的数值模拟

土石坝在爆炸荷载下的力学响应是一个非常复杂的力学问题,相关研究甚少。在LS-DYNA软件框架内,以两河口土石坝为研究对象,把坝体材料简化为混凝土、心墙、反滤层与堆石体等4种,用500 kg TNT在坝顶接触爆炸时的瞬态荷载作为荷载源,针对不同材料建立适合于爆炸高加载率特征的本构模型,用数值方法分析了土石坝在潜在爆炸荷载下的破坏与损伤演化规律。结果表明,在爆炸荷载作用下,由于土石坝材料组成的多样性,应力波传播规律异常复杂,土石坝的力学响应呈现出显著的分区特征。     

基于渗流-应力耦合分析的野鸡尾尾矿坝稳定性研究

基于渗流场与应力场耦合机理,对柿竹园野鸡尾尾矿坝进行稳定性研究。研究渗流-应力的耦合效应,提出了渗流-应力耦合以及渗流体积力计算的实施方案;建立二维的有限元渗流-应力耦合计算模型,分析了考虑耦合效应时的尾矿坝渗流场、位移场、应力场;最终分析了不同耦合关系对于渗流量、位移场、等效渗透集中力以及应力场的影响。研究结果表明：当前水力条件下,尾矿坝稳定性良好;尾矿坝主要受水平渗透力作用,初期坝坝顶、坝脚以及坝底等处应力集中;尾矿坝的渗流-应力作用不容忽视,不同的耦合关系对于x方向位移、渗透力的预测影响巨大;考虑渗流-应力耦合关系得到的主应力、剪应力以及竖向位移,比不考虑耦合效应时大。     

贮灰场子坝粉煤灰动力特性试验研究

贮灰场子坝冲填粉煤灰的动力特性是评估挡灰坝在地震作用下动力稳定性的关键因素。为探究冲填粉煤灰的动力变形和强度特性,利用液压控制振动三轴试验仪测试饱和沉积灰和冲填灰两类试样在偏压固结条件下的动应力-动应变关系、动强度、阻尼比和动孔隙水压力。结果表明:试样骨干曲线均表现出应变硬化特征,可近似描述为双曲线型关系。此外,循环振次增大导致试样动强度降低,且主要与动黏聚力降低有关,受内摩擦角影响较小。双对数坐标轴下,无量纲处理后的阻尼比与动剪切模量近似呈线性关系,且与围压关系不显著。不同围压下动孔压水平随破坏振次增大仅在较窄范围内变化,为简便计算,可忽略围压和循环振次对动孔压水平的影响。据此,可采用Finn公式描述偏压固结下粉煤灰试样的动孔隙水压力特征。     

含砾量对饱和砂砾土液化特性的影响

利用GDS循环三轴仪进行一系列饱和砂砾土不排水动三轴液化试验,研究其在循环荷载作用下的液化特性,分析含砾量对饱和砂砾土动强度和动孔压的影响规律。研究表明:含砾量对砂砾土液化性能影响较大,随着含砾量的增加砂砾土抗液化强度呈单调增加趋势;随循环周次的增加孔隙水压力不断升高,增长速率与所施加的循环应力幅值有关,同一固结压力下,振次比相同时循环动应力幅值越大动孔压比越大;破坏振次对动孔压增长模式存在影响,破坏振次较小时砂砾土动孔压增长模式呈双曲线型发展,破坏振次较大时砂砾土的动孔压增长模式可用反正弦函数来表示,且含砾量越大循环荷载引起的孔隙水压力越高;含砾量对砂砾土液化特性的影响可从砂砾土的微细观结构特征得到阐释,并借助其粒间状态参量进行分析。     

综合物探方法在土石坝渗漏联合诊断中的试验研究

土石坝渗漏问题是制约水库大坝安全运行的重要隐患,准确查明大坝渗漏的病因以及靶区的空间展布是有的放矢实施加固的关键.针对土石坝隐患的空间位置信息多变、周围介质复杂等难点,单一探测手段在识别病灶方面存在误判、漏判等问题,考虑到电阻率对水敏感的特点,提出联合并行电法和瞬变电磁法优化诊断土石坝渗漏隐患的思路.为查明戴家坞水库渗漏的病灶,利用并行电法快速获得大坝坝体段不同高程下的二维视电阻率图像,分析比较了AMN、MNB以及AMN&MNB装置的反演结果,还采用瞬变电磁法对大坝两坝肩并行电法盲区部位进行补充探测,并依据成果进行防渗处理.试验结果表明,并行电法有效指示出大坝坝体段的渗流异常,综合多剖面异常信息能追踪到渗漏路径;AMN&MNB装置的反演结果有效吸收了AMN、MNB的局部高分辨的优势,对大坝边界以及隐患规模的细节刻画更清晰;结合二次场响应曲线和视电阻率图像,瞬变电磁法很好揭示出大坝坝肩K0-005～0+002 m段的渗漏通道,同时有效规避了硬化路面电极接触不良的难题.经对综合推断隐患区进行灌浆处理,大坝渗漏量明显降低,从而佐证了两种方法优化联合的可行性.研究成果可为水库大坝隐患的全面、精细探查提供技术支撑.     

高土石坝振动台模型试验理论、技术与应用

对土石坝振动台模型试验理论和技术进行系统阐述,提出基于原型和模型坝料静、动力特性试验的模型相似设计方法和不同强度地震动递进输入(白噪声微振-设计地震-校核地震-破坏试验)的振动试验方法。基于1g大型振动台和ng超重力离心机振动台设备性能现状,结合高土石坝的结构特点和动力试验相似模拟要求,对土石坝振动台模型试验的优势及局限进行深入讨论。结合已有的工程实践,对土石坝振动台模型试验在工程中的应用进行总结,并以某实际高面板堆石坝为例研究面板坝生命周期内经历多次地震情况下结构动力特性的演化规律。     

基于ADCIGS预测地层孔隙压力的方法研究

工业界计算孔隙压力系数普遍应用的Eaton和Fillippone方法都需要构建能够准确表征低速层的层速度模型,层速度模型精度及效率成为制约孔隙压力预测的关键参数,但目前工业界层速度建模的精度及效率很难满足孔隙压力预测的要求.本文由正常压实情况下的背景速度场出发,基于时距曲线公式及角道集抽取公式,创新推导了以角度域共成像点道集(ADCIGS)剩余曲率为自变量的孔隙压力系数计算公式,该公式完全由去噪后的地震数据进行驱动,不需要构建层速度模型,该方法大幅提高了计算孔隙压力系数的效率.由模型测试及实际数据应用证明,利用本文提出方法进行孔隙压力预测是有效可行的,该方法可以有效提高预测孔隙压力精度,还可以有效提高预测孔隙压力效率.     

富水区隧道合理防排水型式及注浆加固参数研究

以在建的某近接水库公路隧道为工程依托,建立其渗流场和应力场的双场流固耦合计算模型;选取3种不同的防排水型式为研究对象,对注浆圈厚度、注浆圈渗透系数、控制排水量等因素对隧道内排水量和衬砌外水压力的影响规律进行探究,提出了合理的注浆圈加固参数、控制性排水量以及最优的防排水方式等。研究结果表明：增大注浆圈厚度或降低注浆圈渗透系数均能实现减小衬砌外水压力的目的,但并不意味着注浆圈厚度越厚、渗透系数越低,对隧道涌水量的控制效果就越好,而是存在一个相对经济合理的注浆圈加固参数值;隧道控制排水量以及排水型式对于控制衬砌结构外水压力的大小起到决定性的作用;采用环向排水管及盲管＋墙脚设泄水孔的排水型式,这对衬砌结构受力最为有利。     

上游型尾矿坝液化前后渗流场与孔压分布数值模拟

针对地震(或静力)液化作用对尾矿坝渗流场和孔压分布的影响进行研究,基于多孔介质渗流理论,考虑到尾矿坝渗流特性,编写分析程序SAFTD。根据程序假设的初始浸润面,通过调整浸润面处网格迭代求解最终浸润面的位置,选取一个经典算例验证程序的可靠性。针对典型的上游法尾矿库,采用SAFTD程序分析液化前后尾矿坝的渗流场与孔压分布特征。数值模拟结果表明,液化后尾矿坝的浸润面中间部分发生明显抬升,而在入渗点处和出渗点附近变化不大;液化后尾矿坝的孔压明显增加,坝体内部孔压增大约18%~280%,最大的孔压增量发生在初期坝的右下部,数值模拟结果与Ishihara对Mochikoshi 2号坝的分析结果相似。     

In situ quantification of spatial and temporal variability of hyporheic exchange in static and mobile gravel‐bed rivers

Seepage meters modified for use in flowing water were used to directly measure rates of exchange between surface and subsurface water in a gravel‐ and cobble bed river in western Pennsylvania, USA (Allegheny River, Q_mean = 190 m³/s) and a sand‐ and gravel‐bed river in Colorado, USA (South Platte River, Q_mean = 9·7 m³/s). Study reaches at the Allegheny River were located downstream from a dam. The bed was stable with moss, algae, and river grass present in many locations. Median seepage was + 0·28 m/d and seepage was highly variable among measurement locations. Upward and downward seepage greatly exceeded the median seepage rate, ranging from + 2·26 (upward) to ? 3·76 (downward) m/d. At the South Platte River site, substantial local‐scale bed topography as well as mobile bedforms resulted in spatial and temporal variability in seepage greatly in exceedence of the median groundwater discharge rate of 0·24 m/d. Both upward and downward seepage were recorded along every transect across the river with rates ranging from + 2·37 to ? 3·40 m/d. Despite a stable bed, which commonly facilitates clogging by fine‐grained or organic sediments, seepage rates at the Allegheny River were not reduced relative to those at the South Platte River. Seepage rate and direction depended primarily on measurement position relative to local‐ and meso‐scale bed topography at both rivers. Hydraulic gradients were small at nearly all seepage‐measurement locations and commonly were not a good indicator of seepage rate or direction. Therefore, measuring hydraulic gradient and hydraulic conductivity at in‐stream piezometers may be misleading if used to determine seepage flux across the sediment‐water interface. Such a method assumes that flow between the well screen and sediment‐water interface is vertical, which appears to be a poor assumption in coarse‐grained hyporheic settings. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Geophysical Investigation of Seepage Beneath an Earthen Dam

A hydrogeophysical survey is performed at small earthen dam that overlies a confined aquifer. The structure of the dam has not shown evidence of anomalous seepage internally or through the foundation prior to the survey. However, the surface topography is mounded in a localized zone 150 m downstream, and groundwater discharges from this zone periodically when the reservoir storage is maximum. We use self‐potential and electrical resistivity tomography surveys with seismic refraction tomography to (1) determine what underlying hydrogeologic factors, if any, have contributed to the successful long‐term operation of the dam without apparent indicators of anomalous seepage through its core and foundation; and (2) investigate the hydraulic connection between the reservoir and the seepage zone to determine whether there exists a potential for this success to be undermined. Geophysical data are informed by hydraulic and geotechnical borehole data. Seismic refraction tomography is performed to determine the geometry of the phreatic surface. The hydro‐stratigraphy is mapped with the resistivity data and groundwater flow patterns are determined with self‐potential data. A self‐potential model is constructed to represent a perpendicular profile extending out from the maximum cross‐section of the dam, and self‐potential data are inverted to recover the groundwater velocity field. The groundwater flow pattern through the aquifer is controlled by the bedrock topography and a preferential flow pathway exists beneath the dam. It corresponds to a sandy‐gravel layer connecting the reservoir to the downstream seepage zone.     

冷泉形成的数值模拟研究

海底冷泉形成的一种可能机制是海平面下降引起天然气水合物的分解.本文基于对冷泉渗漏特征的分析,建立了二维轴对称模型,利用有限元方法定量分析了南海区域海平面下降对冷泉形成的影响.结果表明,末次冰盛期(26.5~19.0ka BP)海平面下降引起的冷泉活动可以持续到现在,但是从水合物停止分解至今,超孔隙压力的极值在持续减小,而流体向海底的渗漏达西速度先快速减小、然后缓慢减小.同时发现,流体向海底的渗漏达西速度与管状通道的渗透率、通道周围介质的渗透率以及通道的半径等有关,估计目前的冷泉活动还可以持续10000年以上.海平面下降引起的天然气水合物分解,可能是影响全球气候变化的一个重要因素.     

Sediment detachment and transport processes associated with internal erosion of soil pipes

Subsurface flow can be an important process in gully erosion through its impact on decreasing soil cohesion and erosion resistance as soil water content or pressure increases and more directly by the effects of seepage forces on particle detachment and piping. The development of perched water tables fosters lateral flow that can result in seepage at the surface and/or formation of soil pipes by internal erosion of preferential flow paths. Continued internal erosion of soil pipes can lead to gullies, dam and levee failures. However, the processes involved in particle and aggregate detachment from soil pipe walls and transport processes within soil pipes have not been well studied or documented. This paper reviews the limited research on sediment detachment and transport in macropores and soil pipes and applies the knowledge learned from the much more extensive studies conducted on streams and industrial pipes to hydrogeologic conditions of soil pipes. Knowledge gaps are identified and recommendations are made for future research on sediment detachment and transport in soil pipes. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑碎石桩排水能力复合地基中孔压长消解析解

由于地震作用时间较短,且碎石桩渗透能力和土体渗透能力相比并不是无限大,因此本文考虑碎石桩排水能力研究了碎石桩桩体材料由地震引起的孔压的长消规律。根据比奥固结理论综合考虑碎石桩的排水能力和相应的初始条件及边界条件,推导出了能够真实反映碎石桩排水减压作用在地震期超孔隙水压力产生、扩散、消散过程中的贡献作用的一般解析解公式。同时讨论了碎石桩渗透能力的不同对抗震液化的影响作用。     

水合物层下伏游离气渗漏过程的数值模拟及实例分析

海洋环境中天然气水合物层是理想的毛细管封闭层,游离气被抑制在水合物层下,游离气层的气体压力随气体聚集和气层厚度的增加而升高,当气压超过封闭层的毛细管力时,游离气会克服毛细管进入压力、刺入上伏封闭层孔隙空间,毛细管封闭作用随之消失,从而形成水合物下伏游离气向海底的渗漏.通过对该过程进行的数值模拟计算表明：渗漏气体是以活塞式驱动上伏沉积层中的孔隙水向海底排出,水合物稳定带内流体渗漏速度随水流柱高度的减小而增加,当水流阻抗大于相应沉积层段的静岩压力时,沉积层将转变为流沙,流沙沉积被海流移除后便在海底留下凹陷麻坑.麻坑形成后流体运移通道演化为气体通道,气体快速排放.麻坑深度主要取决于游离气层的厚度和水合物封闭层（底界）的深度,而与沉积层的渗透率无关.麻坑深度一定程度上指示了渗漏前水合物层下伏游离气层的资源量.对布莱克海台海底麻坑深度的数值模拟计算表明,形成4 m深的海底麻坑需要至少22 m厚的游离气层.