水流冲刷过程中河岸崩塌问题研究

采用土工数值分析方法,对水流冲刷过程中的河岸崩塌问题进行了分析。分析了水流冲刷引起的河岸后退距离及后退过程中坡内的渗流情况与坡体的稳定性;探讨了水流冲刷过程中岸坡崩塌的发生机理;指出了坡内的渗流作用与坡前水流的冲刷作用是岸坡发生崩塌的主要动力因素,而岸坡土体的物质组成和分布、岸坡坡度等则是岸坡发生崩塌的主要内在因素;并提出了相应的工程防护措施。     

渗流作用下的江河岸坡冲刷变形分析

岸坡地形随河流上游来水来沙、河势变化等因素而不断变化,直接影响岸坡稳定性。江河水流、岸坡渗流均对岸坡水下地形变化有很大的影响。通过分析泥沙受力条件和冲刷特性,应用在室内水槽进行的不同泥沙粒径在多种水流条件下的冲刷率试验研究成果,在岸坡泥沙受力分析基础上推导了崩岸冲刷率公式,并以算例具体说明江河水流和岸坡渗流对其冲刷变形过程的影响。     

波浪渗流力对泥沙起动的影响

海岸泥沙起动的力学机理十分复杂。首先理论分析了波浪作用下床面泥沙颗粒所受的主要作用力,然后将上举力和有效重力分别与渗流力进行比较分析。计算结果表明渗流力随着波高的变化其方向也发生向上或向下的变化,渗流力与上举力和有效重力之间存在着相位差,不同粒径的泥沙在一个周期内均有一时段渗流力远大于上举力;对于渗透系数小的细颗粒泥沙,渗流力远大于泥沙颗粒的上举力和有效重力。进一步通过水槽试验分析了不同波浪参数作用下孔隙水压力梯度对泥沙起动的影响,试验结果表明波浪渗流力对海床细颗粒泥沙的起动有着重要作用,特别是在分析长周期波浪作用下细颗粒泥沙起动规律时,需考虑波浪引起的渗流力影响。     

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。     

非饱和-非稳定渗流条件下的边坡临界滑动场

受季节性降雨或水库运行的影响,岸坡外水位及坡内孔隙水压力场的变化较大,不利于岸坡的稳定性。在水位变化过程中,利用非饱和-非稳定渗流有限元计算得到孔隙水压力场,基于非饱和土的渗流和抗剪强度理论,对水位变化过程中的边坡临界滑动场法进行改进,提出可考虑水位变化与岸坡非饱和-非稳定渗流过程的边坡临界滑动场数值模拟方法。将改进后的水位变化过程中的边坡临界滑动场法分别应用于黏土、粉土岸坡在水位升降过程中的稳定性分析,研究了水位升降速率及基质吸力对岸坡稳定性的影响,并揭示了边坡在水位变化过程中的稳定性变化历程。研究表明,该方法计算结果合理、可靠,更适用于涉水边坡的稳定性计算,且岸坡稳定性变化历程受水位升降速率、基质吸力等多种因素共同影响,只有在考虑非稳定渗流的基础上同时考虑基质吸力的作用才能正确得出水位变化过程中岸坡稳定性变化规律和实质。     

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。     

黄土坡面径流侵蚀产沙动力过程模拟与研究

通过室内模拟冲刷试验系统研究了3°~30°坡度范围内坡面径流的侵蚀动力及产沙特征,分析了坡面径流能耗与径流侵蚀产沙之间的关系。结果表明,坡面径流平均流速随坡度和流量的增加而增大,流速与坡度和流量之间存在指数函数关系,坡度对流速的影响大于流量。在3°~21°坡度范围内,坡面径流单宽能耗随坡度的增加而增加,当坡度超过21°时,径流能耗随坡度的增加而降低。坡度对侵蚀产沙的影响也有类似的现象,在3°~21°坡度范围内,坡面径流平均单宽输沙率随坡度的增加而增大,当坡度达到临界极值21°和24°后,坡面径流平均输沙率随坡度增加而减小;在整个试验坡度范围内,径流平均单宽输沙率随流量的增大而增大;流量对坡面径流平均单宽输沙率的影响大于坡度。坡面径流平均单宽输沙率和单宽径流能耗之间存在明显的线性关系,其临界单宽径流能耗随坡度的增加而增加,土壤可蚀性参数随坡度的变化在10.368~30.366的范围变化,试验的土壤可蚀性的平均值为14.61。     

西霞院水库绕坝渗流分析

绕坝渗流除了影响山体本身的安全外,同时会抬高岸坡部分坝体的浸润面,在坝体和岸坡的接触面上可能产生接触冲刷等不利影响。实际工程大多采用混凝土防渗墙防渗形式,以期增大绕坝渗流渗径来削减绕坝渗流量并减小砂层渗透坡降。本研究以现有76眼民井为基础,分析西霞院水库蓄水前、后近坝区地下水动态变化及续建防渗墙对近坝区地下水影响。结果表明,近坝区地下水位变化与水库水位变化关系密切,水库蓄水对近坝区产生了明显的影响,使地下水位抬升明显、地下水渗流场发生改变。防渗墙续建前后,左岸下游地下水位与库水位响应关系已不明显,渗流方向有所改变,渗流强度明显减小,左岸防渗墙防渗作用明显;右岸渗流方向基本没变,渗流强度有所减小,下游地下水位与库水位仍存在一定的相关关系,右岸防渗墙上下游测井水位差没有左岸明显,说明右岸防渗墙也已经发挥防渗作用,但不如左岸明显。     

水流冲刷过程中的边坡临界滑动场及河岸崩塌问题研究

针对河岸崩塌问题分析和研究,在考虑江河水位升降引起坡外水压力变化及坡内非稳定渗流基础上,同时考虑水流冲刷引起的河床冲深及河岸后退,提出了水流冲刷过程中的边坡临界滑动场和适用于天然江河崩岸的数值模拟,并对水流冲刷过程中的崩岸问题进行了分析。通过对两类不同土质岸坡的崩岸数值模拟,分析了水流冲刷引起的河床冲深及河岸后退过程中坡体的稳定性变化,探讨了不同土质岸坡的崩岸类型及崩塌模式。结果表明,坡度较陡的黏性岸坡崩塌时趋近于平面破坏且通过坡脚;坡度较缓的粉土岸坡崩塌时沿曲面破坏,且在水位骤降过程中易发生局部崩塌。     

灌溉诱发黄土滑坡的发育机制研究

黄土滑坡机理是黄土地质灾害领域研究的热点,而黄土介质干湿演替水-力特性变化、地下水动力场响应以及由此造成的斜坡稳定性变化是其形成的关键。本文在黑方台非饱和黄土水-力特性测试的基础上,结合斜坡地带灌溉引起的非饱和渗流演化过程与发展趋势,探讨了这种滑坡的发育机制。结果表明:随着灌溉持续,长期的正水均衡场引起地下水位上升,包气带增湿后非饱和黄土的吸力下降,强度显著降低,同时饱和区孔压上升,斜坡地带水力梯度增大,提高了水流的渗透力,致使斜坡稳定性下降,斜坡稳定系数随地下水位上升呈线性降低,当地下水位升至55m时达到坡体极限平衡状态,遇有利触发条件即可能失稳滑动,但地下水位变化对最危险滑面位置影响较小。     

Stability of sandy slopes under seepage conditions

Stability against shallow mass sliding in saturated sandy slopes under seepage depends on the flow direction and hydraulic gradient, particularly near the ground surface. Two modes of instability i.e., Coulomb sliding and liquefaction have been studied and the critical flow directions discussed. The utility of the numerical approach in solving complex flow problems with irregular boundaries and surface topography is demonstrated by means of two slope examples with different internal drainage conditions. The numerical results for the seepage gradients at different points are compared with those predicted by the simple expression derived in this study, and the corresponding effects on the stability are evaluated.     

黄河上游某滑坡坝渗透稳定性评价

为了对黄河上游某滑坡坝的渗透稳定性进行较深入研究，作者首先通过试验资料确定了坝体与湖底纹泥渗透稳定的可能破坏形式、临界水力坡降和允许水力坡降，在此基础上应用数值模拟方法(Modflow程序)对滑坡坝在正常湖水位与极限湖水位两种工况进行了渗透稳定性评价。具体评价方法为，在每种工况下先评价计算范围内最大水力坡降方向每一格点(计算剖分网格)的渗透稳定性，进而评价整个坝体的渗透稳定性。研究结果表明，在正常湖水位与极限湖水位两种工况下，坝体均不会出现渗透稳定性问题，在极限湖水位下，坝体的渗漏量变化不大(由2775m^3／d增加为3138m^3／d)。说明在漫长的历史过程中，堰塞湖已形成了很好的防渗铺盖，当水位高于溢洪道时，湖水主要通过溢洪道向外排泄。研究结果为下游某大型水电站的设计、施工与安全运营提供了理论依据。     

近松散层采掘抗渗透破坏评价方法Ⅰ：临界水力坡度

抗渗透破坏评价是近松散含水层煤层开采溃水溃砂防控的重要基础工作,但至今尚未形成规范性方法和标准。松散层和风化带抗渗透破坏评价的关键是确定水力坡度和临界水力坡度。首先综述了流土和内部侵蚀发生的临界水力坡度确定方法,指出近松散层煤层采掘诱发溃水溃砂临界水力坡度与传统的临界水力坡度的不同特点。针对集中通道获得考虑临空面出口尺寸和岩土层物理力学性质的松散砂层、黏土层和基岩风化带的抗渗透破坏临界水力坡度的计算公式,采用试验结果验证,溃水溃砂临界水力坡度公式的适用性。通过单因素和多因素参数对临界水力坡度的敏感性分析结果表明,裂隙宽度是影响临界水力坡度大小的最重要因素,也表明在实际工程中通过控制采掘诱发的覆岩破坏是减少溃水溃砂灾害的关键措施。煤系风化带的临界水力坡度与其中黏土成分的含量、施加荷载大小有密切的关系,当黏土在风化岩石中占比(质量分数)为5%～40%时,其变化范围为2.9～67.2,给出了用高斯函数的拟合估算关系式和考虑上覆荷载的估算公式。研究结果将为近松散层开采溃水溃砂评价临界水力坡度计算提供参考。     

某水利枢纽厂房基坑开挖渗透变形评估

在对渗流评估方法进行一定探讨的基础上,对某水利枢纽工程坝址区厂房基坑开挖进行了渗透变形评估。结果表明,在坝轴线方向上,无防渗墙时坡面土体在渗透力的作用下是不稳定的,有防渗墙时坡面水力坡降降到0.05以下。在砂卵砾石层与基岩的交界处仍存在略大的水力坡降（值为0.56）,如有水在细砂层、砾质中粗砂层渗出,则有可能出现渗流失稳,但总的说来由于防渗墙使水力坡降已降到很小,出现流土和管涌失稳的可能性不大。     

均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解

渗流场水头分布计算是进行渗流量和渗流水力坡降计算的基础,准确、有效地求取渗流场水头分布是渗流计算的关键环节。对均质非饱和土体一维稳态流的流动方程进行分析,考虑到渗透系数是与基质吸力相关的函数,通过数学变换,给出了稳定渗流场的解析通式,并基于渗透性函数中的Gardner模型,给出了非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解。该解析通式表明,均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布主要受地表水头、深度和流动率3个因素控制。分别计算了一维稳态蒸发条件下粉土和黏土两种典型土类水头沿垂直方向的分布。计算结果表明：稳态蒸发条件下粉土层和黏土层内的水头分布表现出相似的变化规律,即自地表至地下水位处随着土层深度的增加,水头分布呈现出加速递减的趋势;在相同的蒸发条件下,对于相同深度处的黏土和粉土而言,黏土层内水头更高些;对同一种土类而言,在较大的蒸发状态下同一深度处土层内水头更高。反之,则较低。     

应用主成分分析法研究渗透介质的渗透稳定问题

结合国内多个水电工程的大量渗透试验数据，在多维系统中选择了5项指标：干密度、孔隙比、不均匀系数、渗透系数和临界坡降，采用多元统计中的主成分分析法进行聚类，运用回归分析建立了砂性土、砂卵石土、断层带物质三类渗透介质的渗透模型。将所建立的断层带物质渗透模型应用到单薄山梁断层带的渗透稳定分析预测上，得到了模型计算结果与渗透试验所得结果相一致的结论，说明主成分分析法在渗透稳定分析中具有一定的适用性。     

基于Copula理论的粗粒土渗透破坏临界水力比降估值

破坏水力比降是土体渗透稳定性分析和渗流控制的基础。以渗透变形试验为基础,分析了粗粒土临界水力比降与孔隙比、级配不均匀系数和曲率系数间的相关性。利用Copula理论适合建立多个非独立变量间联合分布函数的优点,构造了拟合粗粒土临界水力比降 、孔隙比e、级配不均匀系数 和曲率系数 间相关关系的最优Copula函数,并将其应用于粗粒土临界水力比降估值。结果表明：具有单参数的四维对称Archimedean Copula函数的Nelsen No 6为最优Copula函数。利用构造的最优Copula函数求条件概率,便可得到粗粒土临界水力比降估值的保证率,或者计算在一定保证率条件下临界水力比降估值。通过比较临界水力比降试验值与Copula理论方法、Terzaghi公式及刘杰公式估值,阐述了Copula理论的可靠性,为建立粗粒土临界水力比降与孔隙比及级配特征的多变量统计概率关系及临界水力比降估值提供了一种新途径。     

防渗墙粗粒土槽孔泥皮的抗渗性试验研究

通过自制泥浆渗透试验仪,针对粗粒土地基防渗墙泥皮的渗透稳定性问题,开展了护壁泥皮抗渗性能的试验研究。结果表明,泥皮具有明显的截渗作用;不同压差作用下泥浆渗透形成的泥皮具有不同的抗渗特性,压差越大、泥皮越致密,抵抗渗透破坏的能力越强,泥皮的渗透性也就越小;反压渗水作用下泥皮的抗渗性能较正压渗水作用下的抗渗性能差;随着水力作用持续时间的增长,泥皮的结构发生变化,孔隙增大,流速逐渐增大,在较大水力梯度作用下会发生破坏;泥皮的临界水力梯度与其形成时压差作用大小有关,泥皮形成压差越大,正、反向渗水的临界水力梯度越大;反之,临界水力梯度越小。关于泥皮抗渗性能的深化认识,对于完善防渗墙设计与施工具有重要的意义。