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。     

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。     

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。     

恒定渗流作用下泥石流起动过程冲刷试验分析

渗流是泥石流水动力条件主要来源之一,不同渗流流量具有不同的渗流力和冲刷力,从而可引起不同规模泥石流。通过开展室内水槽试验,利用测压管量测渗流过程中的孔隙水压力,并结合高清摄像技术从微观角度记录堆积土体内部细颗粒的运移、骨架颗粒的坍塌现象,以此分析研究土体渗透破坏、起动形成泥石流过程中的渗流和冲刷作用。在此基础上设定水槽坡度为7°,调节恒定渗流流量分别为120、170、265、320 ml/s,分析不同恒定渗流流量对固体堆积物失稳、泥石流起动过程中流态变化的影响。分析结果表明,在恒定渗流流量作用下,堆积土体内部细颗粒迁移、骨架颗粒坍塌造成土体颗粒重排列、孔隙水压力上升进而导致土体抗力降低是泥石流土体颗粒失稳、起动、冲刷的重要原因;随着渗流流量增加,流速迅速上升,土体内孔隙水压力逐步增大,骨架颗粒的失稳、移动主要受渗流及水流冲刷两方面共同作用,堆积土体颗粒的移动分别表现出缓慢小幅滑动后稳定、过渡型滑动和快速流滑现象。     

考虑渗流力时对太沙基一维固结理论的修正

考虑渗流力的作用，对太沙基一维固结理论进行了修正，给出了向上及向下渗流时固结度的表达式，并分析了固结过程中渗流应力的变化规律。结果表明：渗流力对固结度的影响较大，特别是在时间因素Tv=0.1附近，是否考虑渗流力的影响将导致固结度的差值达30 %，因而渗流力对固结度的影响是不可忽略的。     

黄河三角洲粉质土海床临界起动切应力影响因素研究

在黄河口潮滩和室内环形土槽模拟新沉积的海床土体,观测固结过程中沉积物临界起动切应力的变化及对应的土体重度、含水率、贯入阻力、剪切强度指标值的变化,分析黄河三角洲粉质类土临界起动切应力的影响因素与变化规律。研究发现：黄河三角洲粉土的临界起动切应力与重度、贯入阻力和抗剪强度之间呈正相关关系,而与含水率呈负相关关系,并且与干密度、抗剪强度之间具有非常好的定量关系。将黄河三角洲粉土临界侵蚀切应力的试验结果与其他学者建立的计算公式进行了比较,发现在固结开始试验与计算结果间的吻合性较好,随着固结时间差异性变大,表现出黄河口粉质土的独特性。     

循环荷载作用下海床结构粉质土的液化渗流机理定性研究

通过对黄河三角洲海床粉质土的基本性质和循环荷载作用下的喷水冒砂现象的分析,认识了海床粉质土的结构性。利用岩土破损力学原理,建立了海床结构粉质土的二元介质模型。定性分析了结构带土体在加荷、卸荷、液化渗流过程中的变形破损和在液化渗流过程中有效应力和超孔隙水压力的相互转化,指出在液化深度内,土体恢复后的固结强度应提高。这与试验结果相一致。用二元介质模型对解释试验中液化渗流差异是结构带内出现喷水冒砂和结构体上出现遍地冒水现象。     

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。     

波浪作用下考虑海床变形影响的溶质运移数值模拟

波浪会促进海水中溶质向海底沉积物运移,但已有研究大多未考虑海床（海底沉积物）变形效应的影响。为揭示波浪作用下海床土变形对溶质运移过程的影响机制,构建了考虑海床土变形影响的溶质运移计算模型,对波浪作用下溶质向砂质海底沉积物中的运移过程进行模拟。结果表明:海床土变形会增大孔隙水流速,进而增大溶质纵向水动力弥散系数,增强溶质运移的机械弥散作用,促进溶质向沉积物中运移;考虑海床变形时的溶质最大纵向水动力弥散系数可达不考虑海床变形时的8.5倍,约为分子扩散系数的545倍;海床土剪切模量越小,土体变形效应越明显,对溶质运移过程的影响越大;海床土饱和度的降低,会进一步加速波浪作用下溶质向海底沉积物的运移过程。     

河流冲刷对堤岸渗流和变形的影响研究

通过理论分析和有限元技术,建立了综合考虑河流冲刷力、渗透力、自重应力耦合力系下的堤岸（水上、水下）与河床的整体分析模型,直接分析河流冲刷作用对堤岸渗流和变形的影响,并结合强度折减有限元法分析河流冲刷对堤岸边坡整体稳定性的影响。结果表明,渗透流速的最大值出现在堤脚,冲刷作用使堤岸的渗透流速有所提高,并使堤岸坡脚沿外江方向的水平位移明显增加,愈靠近坡脚,外江方向水平位移增加的幅度愈大,在不同水位下堤脚都是最易受到渗流和冲刷影响的地方;河流冲刷进一步加大了堤岸和河床塑性区范围,堤岸的安全系数降低;河流冲刷对堤岸渗流和变形产生的影响随着河水位的上升而加剧,河水位越高,冲刷作用使堤岸稳定性降低的幅度越大。     

随机波浪作用下海床动力响应及液化的理论分析

运用随机波浪理论,基于广义Biot动力固结理论,建立了能够考虑波浪荷载随机特性影响的计算海床动力响应及液化深度的解析数值模型,并从时域上进行求解分析.通过与传统线性规则波浪荷载作用下海床动力响应及液化深度的数值结果的对比分析,详细讨论了考虑波浪荷载的随机特性对于求解海床动力响应及液化深度的影响程度.结果表明,根据随机波浪理论计算得到的海床中的超孔隙水压力、水平有效应力、竖向有效应力、剪应力表现出较强的不规则性,其幅值沿着海床深度方向的变化趋势与根据线性规则波浪理论计算得到结果的变化趋势基本相同,但在同数量级上更大,同时计算得到的海床最大液化深度明显大于根据线性规则波浪理论计算得到的结果.因此,在海洋地基设计和自由场地安全评估时应该合理地考虑波浪荷载的随机特性.     

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。     

关于渗流的力及其应用

饱和渗流是岩土体失稳的重要因素。叙述了渗流产生的消极破坏力“浮力”和积极破坏力“渗透力”。较详细地讨论了渗流各力之间的相互转换关系及其在管涌滑坡问题中的正确应用;并特别推荐引用渗透力计算滑坡问题具有简便、精确的优点。并指出了在计算中和设计规范中引用渗流力方面的误解。     

基于概率分析的渗流计算方法及应用

以随机理论为基础,把岩土体渗透系数视为随机变量。根据渗透系数的概率分布,把岩土体视为按概率分布的不同渗透系数介质的混合体,不同渗透系数介质对渗流场产生贡献的大小由其概率的大小来确定。在确定岩土体渗透系数后,通过渗流方程就可求出不同渗透系数作用下区域内的水头分布和断面流量,再根据渗透系数的概率大小进行叠加,求出整个区域内的水头分布和断面流量。工程实例表明,该方法较确定性有限元法误差小,可作为渗流计算的又一方法用于渗流分析。     

基于Ansys的渗流自由面计算方法

对渗流自由面计算的单元传导矩阵调整法进行了改进。在局部坐标系下,将单元离散为一系列面元（三维为体元）,根据面元或体元形心处的压力水头值来确定面元或体元的权系数,然后按加权平均确定单元的等效渗透系数,该方法既可以避免复合单元中自由面上下面积或体积的计算,面元或体元的离散密度也可以任意选择,简化了计算程序。通过预设的收敛参数来控制迭代过程,可避免相邻两次计算的渗透系数变化太大而难于收敛。以Ansys为开发平台,用APDL语言编写了相应的计算程序,扩展了Ansys的计算功能,为渗流自由面计算提供了新途径。算例表明：该方法的收敛性较好、计算精度较高,能满足工程需要。     

渗流场有限元计算中排水井的处理方法

应用有限元计算设有排水井的渗流场时,为便于与单元衔接和减少单元数量,须对排水井做某些计算上的处理。列出了两种处理方法：一是转化为等效的多边形井,以便于与邻井单元衔接;二是沿用李祖贻等于1984年提出的转化为等效的n个含井单元,但改进了其对四面体含井单元流量计算中的一面积系数,从1/4提升为1/3。算例均先求出其理论解,以便和井不同处理方法的计算结果比较,可据以选择最佳的井处理方法和估算其误差大小。     

考虑渗流和变形耦合的黄土湿陷数值计算

以甘肃陇西地区自重湿陷性黄土作为研究对象,建立了渗流和变形耦合的黄土湿陷变形模型,然后利用Galerkin有限元法对基本方程进行空间离散,在时间域内用差分方法离散,并用Fortran语言编程计算。结合具体的试验条件计算得知：渗流计算结果与实际较为吻合;计算湿陷变形量比实测的大,并且土体非饱和程度越大,差异越大。因此,建议在建立湿陷变形本构关系时考虑时间因素。     

考虑渗流及软化的海底隧道围岩弹塑性分析

在海水渗流的情况下,考虑隧道围岩屈服后强度衰减（塑性软化）的特点,用弹性-塑性软化-塑性残余三线性应力-应变模型推导出了海底隧道围岩塑性软化区半径、塑性残余区半径、洞周边位移、围岩内任一点应力及围岩压力的解析表达式,并与仅考虑渗流及渗流和软化皆不考虑的其他两种情况进行了对比,研究表明：在渗流和材料软化中,后者对隧道围岩稳定最为不利。分析了不同软化程度对结果的影响,该结果为海底隧道围岩稳定性分析等方面提供了理论依据。     

静水压力作用下圆拱正对称失稳临界力的求解

按Ｒｉｔｚ法求得铰支和固支圆拱受静水压力作用时,具有高精度的正对称失稳临界力的第３次近似值。在圆拱临界力的求解中,还可同时导得圆环以不同波数失稳的临界力的精确值。     

基于渗流模型的路基排水设计计算方法初探

根据我国西部不同气候、地形地貌因素,将有关农田水利排水的渗流模型引入了公路路基排水,重点研究了完整盲沟的无降雨渗流模型、连续降雨入渗模型、降雨停止后渗流模型、阶段性降雨模型及其解析解。通过工程实例,运用连续降雨入渗模型和降雨停止后渗流模型,计算了路基内部盲沟的设置间距和排水时间,实践证明该方法是有效的,为西部公路盲沟排水设计中的排水计算提供了一定依据。