悬挂式防渗墙在管涌过程控制中的作用机制

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1、ISSN10000054清华大学学报(自然科学版)2015年第55卷第2期4／18JTsinghuaUniv(Sci&Techno1)，2015，Vo1．55，No．2164—169悬挂式防渗墙在管涌过程控制中的作用机制王大宇，傅旭东，冯晴枫(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084)摘要：为了研究悬挂式防渗墙在堤基管涌发展过程中的据2009年的统计_】]，中国的堤防长度为控制作用机制，该文采用了基于管流一渗流耦合方法的管涌280850km，但由于年代久远、施工技术等各种原动态发展数值模型，选取二元

2、堤基条件，模拟了管涌通道在因，其中达标的仅有106，334km。而且，这些堤防堤基无墙情况和设置悬挂式防渗墙情况下的管涌动态发展90建于透水地基上。其中，双层地基与多层地基过程。数值结果表明：悬挂式防渗墙对渗流场的影响是有较为常见。双层堤基上部为透水性较弱的砂壤土或限的，仅其周围局部区域的流场会因防渗墙发生显著改变，粉质粘土，下层为透水性相对较强的砂砾石层。这该区域外的流场变化则不大。悬挂式防渗墙将管涌通道的种堤基在汛期十分容易发生管涌破坏。发展过程分为下游侧发展段、绕墙段和上游侧发展段等3个悬挂式防渗墙作为一种抵抗管涌

3、破坏的抗渗措阶段，其中绕墙段的发展耗时明显大于其他阶段。在管涌通施，“98洪水”之后在中国被广泛应用。为了探讨悬道绕墙段的发展中，由于局部流场的改变，土颗粒侵蚀的水动力学条件降低；同时由于管涌发展方向改变，土颗粒的自挂式防渗墙的作用，众多学者已通过试验研究了其重增加了颗粒侵蚀的阻力，提高了颗粒侵蚀临界起动条件，对控制管涌发生和扩展的作用。使侵蚀难以继续发展。防渗墙的抗渗作用一直以来被认为是增加了渗关键词：悬挂式防渗墙；管涌；堤基透路径从而降低了全局水力坡降。然而，张家发等通过试验发现悬挂式防渗墙对管涌发生的临界中图分类号

4、：TVl39．14文献标志码：A文章编号：1000—0054(2015)02—0l64—06条件影响很小，但是却可以有效阻止管涌的继续发展。毛昶熙等的堤基管涌试验同样证实了悬挂式防渗墙对于堤基管涌有截断其发展通道、控制其发展的显著作用。王保田等的试验则发现，随着悬挂式防渗墙贯人度(墙体进入透水层深度与透水层总深度的比值)的增加，虽然防渗能力随之提升，但从投资的经济性角度考虑，单位投资所取得的防渗效益却逐渐下降。丁留谦等]改变双层地基中悬挂式防渗墙的位置，结果表明其布置在背水侧较临水侧对抵抗管涌破坏效果更加明显。简言之，现

5、有的试验研究均表明悬挂式防渗墙可以有效地阻止管涌的继续发展，而管涌继续绕墙发展的难度较大。目前对悬挂式防渗墙作用的研究，很少涉及到悬挂式防渗墙本质的作用机制。在数值模型方面，目前还没有针对悬挂式防渗墙作用机制的数值模收稿日期：20150117基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAB02B02)作者简介：王大宇(1985)，女(汉)，河南，博士研究生。通信作者：傅旭东，教授，E—mail：xdfu@mail．tsinghua．edu．cn王大宇，等：悬挂式防渗墙在管涌过程控制中的作用机制型。但对于管涌的

6、实际发展过程，已有不同学者开1．1渗流一管流耦合控制方程展了数值模拟研究。Annamaria和Giancarl[将粗该模型将发生管涌侵蚀的土体分为2个区域，颗粒作为不动的骨架颗粒，利用有限元模型计算得分别为管流区域与渗流区域。管流区域为土体已被到渗透区域空间各点处细颗粒密度随时间的变化。侵蚀并形成管涌通道的区域。土体中的水流运动分丁留谦l_7采用扩大管涌区渗透系数法，同时引入临别用管流模型与渗流模型描述。为简化计算，管流界坡降做管涌通道尖端破坏的判断准则，利用有限区域采用准恒定流模型，将水流的非恒定过程划分元方法动态模拟

7、了管涌通道的发展过程。周健为若干个恒定流过程。侵蚀管道中水流遵循质量和等l8利用颗粒流方法考虑了土一水之间的流一固耦动量守恒方程；对于二维渗流域，其控制方程为符合作用，并结合模型试验，模拟了砂土管涌的形成过合Darcy定律的二维渗流微分方程，即程。E1Shamy_1。。考虑了被侵蚀土颗粒、水流与土体dQ—A+一q，(1)骨架之问的相互作用，对被侵蚀颗粒以离散元方法模拟，得到不同水头过程下的管涌现象。介玉新(H+)+17)2一。，(2)等基于管流一渗流耦合方法，结合颗粒级配曲线确定土体侵蚀量，考虑了侵蚀后由于土颗粒的粗化是

8、+是_o．㈦而带来的土体渗透系数的改变，模拟了管涌侵蚀随以水头、流量边界封闭上述方程组，有时间发展的过程。傅旭东等]首次将泥沙运动力HlP1一H0(z，)，(4)学方法引入到管涌通道发展模拟中来，并考虑了志}=-q(．(5)管涌发展过程中管径的拓展变化。Fujisawa等口。]与Zhou等]的模型均较为真实地模拟了管