中国泥石流起动物理模拟试验研究进展

为进一步提高泥石流起动物理模拟试验的科学性,完善试验体系,采用资料收集与分析方法,总结了近年来中国泥石流起动物理模拟试验开展的现状,从水流冲刷与泥石流起动试验以及人工降雨与泥石流起动试验两个方面论述了中国泥石流起动试验取得的主要进展和理论成果。在国内外泥石流起动物理模拟试验对照基础上,提出中国泥石流起动物理模拟试验研究的建议:提高水流浓度、降雨雨型与土体特征的相似率;加强降雨或水流作用下土体物理力学特征变化与泥石流起动响应研究;推动降雨与汇流共同作用下泥石流起动综合性物理模拟试验的开展。     

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。     

泥石流起动原型试验及预报方法探索

在分析国内外泥石流预报的基础上,结合泥石流形成机理研究取得的进展,提出了新型的暴雨泥石流预报方法。通过蒋家沟泥石流源地人工降雨试验,坡面泥石流形成与源地土体特征参数变化存在密切的关系。暴雨泥石流形成的过程可以描述为:降雨→土体含水量、土体结构和土体组成的变化→土体强度变化→斜坡稳定性变化→坡面泥石流形成→沟谷泥石流。建立起前后两者的关系,用降雨并结合中间关系方程分析泥石流发生的概率、时间及形成规模等参数,逐步提高泥石流预测预报精度。比传统的预报方法在精度上有很大的提高,使对误差进行估算成为可能。     

考虑渗流效应的冲流带泥沙起动机理研究

为揭示内部渗流对海岸冲流带泥沙起动的影响,系统地开展了斜坡海床冲流特性与泥沙起动机理研究。通过室内水槽开展了孤立波在可渗透和不可渗透斜坡海床上的冲流试验,测试了冲流过程中波高、波速等变化规律;建立了渗透海床冲流数值模型并通过试验结果进行验证;深入分析了床面渗流对其波浪流场动态特征以及床面泥沙起动的影响机理。研究表明,床面渗流作用加剧波浪的不对称性,在波浪上冲过程中因床面强入渗作用而增大了床面切应力;回流过程因入渗所造成流量损失而导致床面切应力减小。床面渗流引起床面颗粒有效重度和切应力变化而导致泥沙希尔兹数大大增加,加剧了泥沙起动现象,且床面切应力改变是引起泥沙希尔兹数变化的主要因素。     

汶川强震区泥石流起动模型试验分析

强震使大量松散堆积物堆积于高山峡谷内,由于持续降雨的作用,导致泥石流在汶川灾区频繁发生。降雨强度和物源与泥石流的起动有着密切联系,分析雨强和物源与泥石流起动的相关关系,可得不同雨强下,不同物源区泥石流起动的特征。通过对典型泥石流沟（映秀镇烧火坪侧沟,牛莲花心沟）进行野外样品采集,将两条泥石流沟进行对比室内试验。控制起动坡度,降雨强度与颗粒级配得出不同坡度下泥石流起动的表面流形成流量,起动流量。同时,与非强震区（西昌市琅环乡）的泥石流简单对比,得到强震区泥石流起动的临界条件及雨强,为泥石流的预测和治理提供相应的理论依据。通过大量的试验结果,泥石流起动首先会形成表面流,然后形成冲沟,随着物源区雨强的增加,最终形成大面积松散堆积物失稳,整体起动。泥石流起动与汇水区面积成一定关系。     

考虑渗流力的海床临界冲刷机理及计算方法

从波浪引起的海床内部渗流与床面泥沙运动耦合的角度出发,研究波浪作用下海床临界冲刷机理及计算方法。研究表明,波浪作用下床面泥沙起动及冲刷是一个不断向下发展的过程,最终达到一个临界冲刷深度。波浪引起的渗流力能够显著降低泥沙的临界起动切应力,促进泥沙起动,是影响海床冲刷的一个重要因素。将渗流力引入到传统泥沙起动公式中,推导并给出了波浪作用下海床临界冲刷深度的计算方法。结合室内和现场两个算例,很好地解释了波浪水槽试验中海床"流化"现象和黄河水下三角洲粉砂流冲沟等灾害地貌特征及成因,初步验证了该方法用于评价和计算海床冲刷的有效性。     

考虑渗流力的海床临界冲刷机理及计算方法

从波浪引起的海床内部渗流与床面泥沙运动耦合的角度出发,研究波浪作用下海床临界冲刷机理及计算方法。研究表明,波浪作用下床面泥沙起动及冲刷是一个不断向下发展的过程,最终达到一个临界冲刷深度。波浪引起的渗流力能够显著降低泥沙的临界起动切应力,促进泥沙起动,是影响海床冲刷的一个重要因素。将渗流力引入到传统泥沙起动公式中,推导并给出了波浪作用下海床临界冲刷深度的计算方法。结合室内和现场两个算例,很好地解释了波浪水槽试验中海床"流化"现象和黄河水下三角洲粉砂流冲沟等灾害地貌特征及成因,初步验证了该方法用于评价和计算海床冲刷的有效性。     

乐坝火车站后山边坡降雨作用下渗流数值分析

研究拉张裂缝充水和降雨共同条件下边坡渗流特征对边坡稳定性分析具有关键作用.基于饱和—非饱和土渗流理论及边坡饱和—非饱和土渗透特性,设计4种降雨类型并对案例边坡有限元渗流数值计算分析,分析表明:①在稳态渗流下,边坡上部负孔隙水压力值最大,边坡下部值最小,渗流速度在边坡上部、中上部、中下部值增加缓慢,在下部值骤增;②在瞬态...     

坝体渗流与边坡稳定性研究

在有渗流坝体中,支持毛细水在垂向与横向上都传递静水压力;它与饱水带构成统一的渗流场,一起进行着横向渗流。因此,对坝体应力分布的研究要同时考虑孔隙水压力和渗流驱动力的作用。如将坝体两坡的静水压力(面力)转做渗流驱动力(体力)时,则其分布范围不仅包括浸润曲面以下的饱水带,而且也包括支持毛细水带;在任一点的作用方向与流向相同。横向渗流速度在垂向上呈不等值分布,存在高速带,故渗流驱动力的大小也不是均布的。     

波流作用下黄河三角洲硬壳层液化渗流形成机制研究

波流作用于海床产生动态孔隙水压力,如不能及时消除会在其内部产生累积孔隙水压力,相邻两点间的孔隙水压力差值造成的水力梯度产生渗流力,渗流力引起水流动,海床表面为排水界面,从而会在海床内部形成向上的渗流力作用于泥沙颗粒上,使泥沙发生启动向海床表层运移,从而形成一定范围的粗颗粒层。本文采用数值模拟对不同流速下的海床累积孔隙水压力进行了研究,同时分析了硬壳层的存在对海床累积孔隙水压力的影响规律,根据取得的不同流速下海床内部的累积孔隙水压力值,计算海床任意位置处的渗流压力梯度,采用王虎等(2014)推导建立的海床临界冲刷深度的计算方法,分析不同流速下的硬壳层形成深度。结果表明: 海流流向与波浪行进方向一致时,对累积孔隙水压力起促进作用,流速越大累积孔隙水压力越大,反之对累积孔隙水压力有抑制作用。表面硬壳层的存在会显著促进累积孔压的消散,累积孔隙水压力沿深度分布的极值均出现在下层原始海床中,流速U₀=0m ·s-1时硬壳层厚度由1m增加到3m,极值点深度下降了1.38m。累积孔隙水压力引起的渗流力对于海床泥沙启动影响显著,在流速U₀=0m ·s-1,U₀=1m ·s-1时泥沙启动深度均为海床1.5m深度处,并且海流流向与波浪行进方向一致时,会产生较大ΔP/ΔL值带动较粗的泥沙颗粒至海床表层,但对泥沙启动的最大深度影响不大。     

泥石流启动过程PFC数值模拟

泥石流松散碎屑物质具有散粒体的基本特征,在暴雨激发下容易形成泥石流,整个过程具有散粒体大变形的特征。颗粒流理论是基于离散单元法模拟圆形颗粒介质的运动及其相互作用,在模拟颗粒相互作用和大变形问题研究方面具有显著的优越性。为分析泥石流松散碎屑物质启动形成泥石流的过程及其与土体含水率的关系,采用二维颗粒流程序（PFC2D）分析降雨作用下松散碎屑物质启动形成泥石流的过程,揭示崩滑堆积体在降雨作用下含水率超过临界值后质点运动速度和位移增加,松散碎屑物质启动并加速而导致滑坡泥石流连锁式破坏的过程和机制。     

对滑坡防治工程相关规范中渗流问题的研究

渗流对滑坡稳定性至关重要,在松散堆积层滑坡稳定性评价中如何正确反映渗透力的作用是岩土工程界近年来讨论的热点。目前涉及滑坡防治工程的有关国家规范已经考虑渗流的影响,但在渗透力的重复计算上存在突出的问题,一些重要的概念和原理亟待从源头上进行澄清。文中以流体力学的基本理论为依据,从渗透力概念定义的微观源头上,证明了渗透力是一种等效力。在非压缩流体条件下,无论稳定流还是非稳定渗流,渗透力与浮力的共同作用效果与周边孔隙水压力是完全等效的。针对滑坡渗流模型,从宏观上再次证明了上述等效性原理,且表明在流网比较简单的条件下,采用渗透力计算比较简便,论证了更为严格的条件下条分法的下滑力中应考虑渗透力和浮力的影响。在此基础上,对现有规范的稳定性评价和滑坡推力计算方法进行了修正,定性和定量地评价了现行规范评价方法的偏差对滑坡设计推力和工程造价影响的程度。实际算例表明,现行规范的设计推力偏大5 %以内,主体工程造价偏大幅度基本与此相当,并略低。     

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。     

满流条件下管道破损诱发渗流侵蚀的试验研究

针对富水砂层中地下管道破损诱发地面沉降的问题,设计了一套可视化试验装置,对骨架粒径d90 =1.45～8.45 mm的11种砂土样、5种满流流速下土体渗流侵蚀诱发地表沉降的规律进行了研究。研究表明：（1）管道破损诱发的土体渗流侵蚀有3种模式,分别为：只突水无沉降、形成土拱并发生沉降和溃砂沉降;（2）土体骨架粒径、破损口尺寸、厚跨比是决定土体产生何种渗流侵蚀模式的主要因素,满流流速主要影响土体沉降范围;（3）管道破损口上方土体形成土拱或溃砂时,土体骨架粒径d90与厚跨比r的关系为：当8.0≥r≥4.2时,d90随r的增大呈抛物线下降;当12.5≥r≥8.0时,d90保持不变;（4）管道破损口上方土体形成土拱或溃砂时,流速为0的初始沉降半径、沉降深度由破损口直径D与土体平均粒径d50的比值（D/d50）决定;沉降半径、沉降深度均随满流流速的增大而线性增大;形成土拱时,沉降半径、沉降深度随流速增大的扩展速度（VL、VH）与D/d50呈对数关系;溃砂时,沉降半径随流速增大的扩展速度VL规律如下：当23.0≥D/d50≥6.0时,VL随D/d50的增加而线性增大,当42.0≥D/d50≥23.0时,VL随D/d50的增大呈对数减小。     

A new parabolic variational inequality formulation of Signorini's condition for non‐steady seepage problems with complex seepage control systems

By extending Darcy's law to the dry domain above the free surface and specifying the boundary condition on the potential seepage surfaces as Signorini's type, a partial differential equation (PDE) defined in the entire domain of interest is formulated for non‐steady seepage flow problems with free surfaces. A new parabolic variational inequality (PVI) formulation equivalent to the PDE formulation is then proposed, in which the flux part of the complementary condition of Signorini's type in the PDE formulation is transformed into natural boundary condition. Consequently, the singularity at the seepage points is eliminated and the difficulty in selecting the trial functions is significantly reduced. By introducing an adaptive penalized Heaviside function in the finite element analysis, the numerical stability of the discrete PVI formulation is well guaranteed. The proposed approach is validated by the existing laboratory tests with sudden rise and dropdown of water heads, and then applied to capture the non‐steady seepage flow behaviors in a homogeneous rectangular dam with five drainage tunnels during a linear dropdown of upstream water head. The non‐steady seepage flow in the surrounding rocks of the underground powerhouse in the Shuibuya Hydropower Project is further modeled, in which a complex seepage control system is involved. Comparisons with the in situ monitoring data show that the calculation results well illustrate the non‐steady seepage flow process during impounding and the operation of the reservoir as well as the seepage control effects of the drainage hole arrays and drainage tunnels. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

滑坡与斜坡稳定性一般条分法分析中渗流作用的简化计算

当滑体或潜在滑体内有倾斜的相对弱面或端部条块外侧面倾斜且有水压力作用时,采用一般条分法进行稳定性分析应比采用垂直条分法更为恰当。本文研究了对一般条分法也适用的渗流作用简化计算方法,首先给出土条渗透力的合理计算式,再根据水的面力与体力的关系给出土条周边孔隙水压力计算方法。同已有的计算方法相比,本文方法的合理性显著提高。     

竖向稳定渗流条件下的地震主动土压力分析

基于库仑土压力理论的基本假定和拟动力法的分析思路,以无黏性填土的刚性挡土墙为研究对象,考虑填土中存在竖向稳定渗流的两种工况,推导了地震主动土压力和修正土压力系数的计算表达式。通过程序求解问题并进行参数讨论,分析结果表明,主动土压力随水平地震加速度的增大而明显增大,竖向地震加速度对土压力影响较小,可以忽略不计。墙土摩擦角较小时,土压力随填土摩擦角的增大而单调减小,但当墙土摩擦角增大后,土压力随填土摩擦角的增大出现先减小后增大的情况。渗流方向向下时,土压力随水力梯度的增大而减小;渗流方向向上时,变化规律则相反。与已有的理论方法对比,计算结果基本吻合,验证了该理论方法的正确性。     

矿山泥石流沟谷形态的分形分维

以2个区域的矿山泥石流为背景,利用分形理论分析了矿山泥石流沟谷形态特征,并与4个区域的自然泥石流沟谷形态进行比较研究。沟谷形态的分形维数具有相同的地学意义:维数越小,该要素对沟道及泥石流的发育和形成的影响越大。沟道比降、汇水面积和沟道长度3个沟谷形态要素中,汇水面积影响最为显著;但矿山泥石流沟谷具有汇水面积少、沟谷尺度小,沟谷比降陡的特点;在此基础上提出了自然—矿山型泥石流的概念。