渗流-管涌数值分析模型与土石坝溃坝机理分析研究

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1、浙江大学建筑工程学院硕士学位论文渗流-管涌数值分析模型与土石坝溃坝机理分析研究姓名：方仲将申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：张我华20080301摘要管涌在流体力学和岩土工程等领域都是重要的研究课题。本文基于有限元分析，对土石坝在水位达到一定高度下，模拟管涌发生和发展的过程。本文首先介绍了迄今为止对管涌发生的频率以及管涌模型研究的现状，结合已有文献，对管涌研究的方法及涉及到的问题作了介绍。然后，在前人已有工作的基础上，进一步研究了饱和土管涌问题。其中，管涌模型考虑了三维饱和非稳态渗流模型

2、，并通过abaqus计算模拟了九江大提溃坝，同时分析了在九江大提溃坝的原因。最后，本文对进一步的工作提出了一些建议。关键词：管涌渗流有限元九江大堤abaqus模拟ABSTRACTThesin#ofpipingisofimportancetoseveraldisciplines，suchasGeotechnicalEngineering,Hydrodynamics．Inthisdissertation,simulationongenerationandevolutionofpipingunderw

3、aterlevelofdamgettingaspeciallystateisperformedonFEM．Thisdissertationstartswithallintroductionofthisstudydiscipline．Basedontheresearchofothers，researchonpipingofsaturatedsoilsisproposed．3-dimensionalunsteadyseepagemodelofsaturatedsoilsisconsidered．Da

4、m-breakofJiujiangdamissimulatedbyabaqusandthereasonsofdam-breakarepresent．KEYWORDS：pipingseepagefmiteelementmethodJiujiangdamabaqussimulation浙江大学硕士学位论文方仲将2008第1章绪论1．1国内外研究现状1．1．1堤防的渗流问题渗透破坏在堤防工程中非常普遍，据1998年长江防洪抢险的统计资料，由渗透破坏造成的险情约占险情总数的70％。除漫溢险情外，溃口险情

5、几乎全部是渗透破坏所致，实践表明，渗透破坏是堤防工程中最普遍且难以治愈的心腹之患。只要堤防的临水侧和背水侧存在水头差，堤防就有渗流产生。随着汛期水位的升高堤身内的浸润线逐步形成并不断抬高，堤基和堤身内的渗透比降也逐渐增大。当渗流产生的实际渗透比降大于土的l临界渗透比降时，土体将产生渗透破坏。堤防的内在隐患会加速渗透破坏的发生和扩展。砂基或砂砾石地基的松散土最易发生渗流破坏(管涌)。一些国家(印度、埃及、美国等)先后根据他们的调查分析制定了适合其士质情况的设计渗径长度的计算方法。而我国尚未作过系统

6、调查分析，提出适合我国工程地质条件的设计方法。今后，应针对我国地质分布情况进行渗流破坏调查，并结合室内试验和理论分析研究接触面冲蚀和内部管涌过程的渗流破坏机理，特别要鉴别冲蚀管涌能否继续扩展危及安全或维持原状甚至自愈的渗流机理及其外力条件，是亟待解决的重要课题。1．1．2管涌破坏机理的研究渗流带动土的颗粒或粒团沿孔道移动的现象称为渗流管涌。管涌的危害性和不确定性很大，太沙基曾认为管涌“象白蚁蛀蚀木头一样”是难以预测的。管涌破坏问题一直受到重视，几十年来曾有不少学者对此现象作过研究。1985年，长

7、江科学院的曹敦侣通过模拟渗流管涌孔道端点的运动，建立了管涌随机模型t“11，用以计算管涌破坏的概率并估计土的渗流稳定性。所得的结论是管涌的发生并不总是意味着渗流破坏，管涌破坏的发生既与相对渗径有关，1浙江大学硕士学位论文方仲将2008也与绝对渗径有关。在1997年，他又与曹罡等提出了水工建筑物渗流管涌的Monte．Carlo模拟，分析了渗流管涌发生和扩展的机理。给出了管涌的数学模型：铅直流土的太沙基模型、斜坡流土的谢斯塔可夫模型以及渗流冲刷的曹敦侣模型[；-21。在此基础上，用Monte．Car

8、lo法模拟渗流的发生和扩展。孔隙介质的渗流特性考虑服从给定概率分布的随机变量。随机模拟给出管涌扩展的形象，同时还可以求得在一定条件下，渗流管涌导致管涌破坏的几率。随机模拟的结果能很好地与实验室试验结果相印证。殷建华采用饱和稳定渗流模型D-3]研究堤基中不同长度管涌区及其渗透系数的改变程度对渗流场的影响，分析由此引起的最大流速和总重量的变化，但并没有真正模拟管涌的扩展过程，而是把每一种长度管涌区对应的状态作为稳定状态处理，且不论管涌区的长短，其直径都看作不变。实际上，管涌扩展过程中管涌破坏区上层的