管涌发展与悬挂式防渗墙作用机制研究

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1、管涌发展与悬挂式防渗墙作用机制研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：水利水电工程系学科：水利工程研究生：王大宇指导教师：王光谦教授二○一五年五月ResearchonPipingDevelopmentandtheFunctionMechanismofSuspendedCut-offWallDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinHydraulicEngineeringbyWangD

2、ayuDissertationSupervisor:ProfessorWangGuangqianMay,2015摘要摘要管涌是威胁土石坝与堤防安全的重要隐患。由于它的发生难以预测、过程无法观测，为科学认识其物理现象和机制造成了较大困难。早在上个世纪初，已不断有学者的试验模拟、理论研究，但由于对细观侵蚀机制的研究仍不深入，仍然缺乏模拟管涌侵蚀发展过程、评估工程防控措施效果的数学模型方法。本文基于无粘性土中管涌侵蚀的细观力学机制开展研究，取得了如下成果：建立了考虑颗粒侵蚀和管涌通道尖端破坏机制的管涌侵蚀发展数学模型。该模型基于渗流-管流耦合的流场求解方法，考虑渗流作用力

3、、颗粒自重及摩阻力的共同作用，模化侵蚀发生的力学机制。结合土体自身性质如级配曲线，孔隙度及渗透系数，考虑渗流侵蚀过程中的土-水耦合效应，提出以最大侵蚀量方向为判断管涌通道发展方向的依据，并以土体临界孔隙度作为判别管涌通道尖端侵蚀破坏的条件，确定土体内部侵蚀的侵蚀量。以符合土体内部侵蚀的泥沙侵蚀规律，确定管涌通道侵蚀发展的速率。同时，模型考虑了土体各向异性特性的影响。因此，模型可定量表达管涌通道尖端土体颗粒脱离骨架、被水流携带输移的细观物理机制，并可反映土体在不同密实度情况下发生管涌贯穿破坏的差异。应用经过验证的管涌动态发展模型，研究悬挂式防渗墙作用机制。发现悬挂式防

4、渗墙使管涌通道发展过程分为三个阶段，绕墙段的发展由于侵蚀方向的改变，颗粒临界起动条件增大，是悬挂式防渗墙发挥作用的关键；同时，悬挂式防渗墙改变其周围局部流场，降低了当地土颗粒侵蚀的渗流作用力。如果潜在管涌发生点不在防渗墙的影响范围内，则防渗墙对管涌发生条件的影响微弱。此外，悬挂式防渗墙墙深、墙的位置以及土体渗透系数各向异性程度，都影响悬挂式防渗墙的渗控效果。通过对我国典型堤防的案例分析，发现工程中现有悬挂式防渗墙墙深经验公式（墙深为1-1.5倍水头）存在一定的适用条件，仅在墙深大于8米的情况下适用。同时，土颗粒级配、悬挂式防渗墙位置及土体密实程度均会影响悬挂式防渗墙

5、的作用效果。关键词：管涌、土体内部侵蚀、悬挂式防渗墙、无粘性土、土体各向异性IAbstractAbstractPipinghasbeenregardedasacrucialdangerthatthreatensembankmentdamsandlevees.Astheoccurrenceofpipingisunpredictableandthepipingprogressioncannotbeobserved,itisdifficulttounderstandpiping’sphenomenonandphysicalmechanismscientifically.F

6、romtheearlylastcentury,manyresearchershaddonesomeworksonexperimentsandtheoreticalresearchonpiping.However,duetolackofresearchonerosionmesomechanism,thereisstillnotthenumericalworkwhichcansimulatetheprogressionofpipingerosionandevaluatetheseepagecontrolmeasurementsinpractice.Thisdissert

7、ationstudiesthemesomechanicalmechanismsofpipingerosionbasedonthecohesionlesssoil,andthemaincontentsareasfollows:Firstly,thenumericalmodelofpipingdevelopmentwhichcontainsthemechanismofinternalsoilerosionanddamageofpipingtip.Thismodelemploysthecouplingmethodofseepage-pipeflow,andconsid