论文部分内容阅读
双层堤基是江河上的堤坝工程常见的地层形式，即上面为弱透水性的黏性土覆盖层，下面为强透水性的砂层。双层堤基汛期受承压水的顶托，常在堤后出现流土和管涌等险情。其中，管涌破坏是绝大多数此类堤基发生渗透破坏的形式，主要表现为堤后弱透水覆盖层薄弱处，在高水头差作用下发生破坏先形成管涌出口，后发展成向上游扩展的集中渗流通道。管涌破坏的内部侵蚀机制急需理解，多年来针对集中渗流通道发展变化的研究已取得一定的成果，但对于管涌初始启动阶段的变化过程仍然缺乏深刻全面的认识，而不同水力条件下产生的管涌直接关系到后续通道的上溯发展及最终的整体破坏程度，即影响评估管涌破坏的危险性。本文针对不同薄弱程度的覆盖层刚发生管涌破坏时的出口周围颗粒的运动特性进行探讨，具体内容为：
1.管涌初始启动阶段的试验研究。针对不同薄弱程度的覆盖层发生破坏时所对应的颗粒运动特性，分为既有管涌口和突发管涌口两种类型，进行了一维、三维和砂槽等多种出口条件的模型试验，详细记录了既有管涌口管涌破坏的出口颗粒松散变化过程，以及砂样颗粒在两种管涌口破坏模式中从出口产生至形成通道的运动变化过程。
2.既有管涌口管涌破坏的出口周围颗粒松散变化特性分析。以一维圆筒试验模型为基础，利用自动化数据采集，结合图像分析，提出渗透特性变化分析方法，建立数值模型分析砂样内部的松散变化规律，验证得到松散区的渗透系数；通过回归方程分析，发现松散区扩展所需的临界水力坡降随松散区的扩大而不断增大；建立临界水力坡降与松散区有效应力的指数拟合关系，并以松散区内的单一颗粒作为研究对象，考虑了渗流场内砂颗粒之间的相互作用，验证该关系的合理性。
3.既有管涌口管涌破坏的出口附近区域的渗流场分析。以三维圆筒试验模型为基础，建立三维数值模型，预测管涌出口附近松散区与通道发展的交替变化过程；应用通道尖端理论公式计算三维渗流场中通道尖端局部范围的水头，并分别与浅沟公式和实测数据对比，验证其在通道尖端局部范围计算的合理性和精确性；考虑尖端窄沟的影响，进行力学分析，提出控制通道尖端上溯启动的关键参数计算方法，得到通道尖端上溯启动的临界判别条件。
4.突发管涌口管涌破坏的出口附近颗粒运动的机理分析，包含渗流场的分析与计算和预测破坏瞬间的临界影响范围两个部分。在渗流场的分析与计算方面，以砂槽试验模型为基础，针对突发破坏卸载瞬间的孔压变化特点，运用条形荷载简化模型计算突发破坏形成瞬间的水头变化；对比突发管涌口与既有管涌口两种破坏模式的渗流场，验证突发管涌口的破坏特性；在预测破坏瞬间的临界影响范围方面，以管涌出口附近的单一颗粒作为研究对象进行力学力析，考虑渗流场砂颗粒之间的相互作用和河流泥沙动力学的相关概念，建立突发管涌口管涌破坏瞬间的临界启动预测模型，为预测突发管涌口管涌破坏的危险评估提供依据。
1.管涌初始启动阶段的试验研究。针对不同薄弱程度的覆盖层发生破坏时所对应的颗粒运动特性，分为既有管涌口和突发管涌口两种类型，进行了一维、三维和砂槽等多种出口条件的模型试验，详细记录了既有管涌口管涌破坏的出口颗粒松散变化过程，以及砂样颗粒在两种管涌口破坏模式中从出口产生至形成通道的运动变化过程。
2.既有管涌口管涌破坏的出口周围颗粒松散变化特性分析。以一维圆筒试验模型为基础，利用自动化数据采集，结合图像分析，提出渗透特性变化分析方法，建立数值模型分析砂样内部的松散变化规律，验证得到松散区的渗透系数；通过回归方程分析，发现松散区扩展所需的临界水力坡降随松散区的扩大而不断增大；建立临界水力坡降与松散区有效应力的指数拟合关系，并以松散区内的单一颗粒作为研究对象，考虑了渗流场内砂颗粒之间的相互作用，验证该关系的合理性。
3.既有管涌口管涌破坏的出口附近区域的渗流场分析。以三维圆筒试验模型为基础，建立三维数值模型，预测管涌出口附近松散区与通道发展的交替变化过程；应用通道尖端理论公式计算三维渗流场中通道尖端局部范围的水头，并分别与浅沟公式和实测数据对比，验证其在通道尖端局部范围计算的合理性和精确性；考虑尖端窄沟的影响，进行力学分析，提出控制通道尖端上溯启动的关键参数计算方法，得到通道尖端上溯启动的临界判别条件。
4.突发管涌口管涌破坏的出口附近颗粒运动的机理分析，包含渗流场的分析与计算和预测破坏瞬间的临界影响范围两个部分。在渗流场的分析与计算方面，以砂槽试验模型为基础，针对突发破坏卸载瞬间的孔压变化特点，运用条形荷载简化模型计算突发破坏形成瞬间的水头变化；对比突发管涌口与既有管涌口两种破坏模式的渗流场，验证突发管涌口的破坏特性；在预测破坏瞬间的临界影响范围方面，以管涌出口附近的单一颗粒作为研究对象进行力学力析，考虑渗流场砂颗粒之间的相互作用和河流泥沙动力学的相关概念，建立突发管涌口管涌破坏瞬间的临界启动预测模型，为预测突发管涌口管涌破坏的危险评估提供依据。