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管涌是堤防在洪水期间险情的主要原因之一,管涌的产生和扩展会导致堤基土体内形成渗漏通道,一旦渗漏通道贯穿整个堤基,将引起堤身下陷、不均匀沉降和整体失稳,严重的甚至酿成决堤的灾难。研究堤基的管涌发展过程,建立相应的数学模型和数值模拟方法,并通过对典型堤基管涌的模拟来进一步揭示管涌扩展规律,这些对于合理的评价堤防的安全性、预测管涌的发生以及具体位置、有效控制管涌发展,减少或避免灾难有着非常重要的理论和实践意义。
本文针对上层为粘性土层,下层为砂层的二元堤基管涌问题,基于常规渗流有限元分析,进一步考虑管道内沙对水流阻力的影响,建立管道渗透系数与管道含沙浓度的关系,同时引入管涌通道边壁扩展条件及通道输沙随时间的关系,提出一个模拟堤基管涌通道随时间动态演化过程的有限元数值模型,据此来进一步探讨堤基管涌发生、发展变化规律及时间过程。本文主要工作如下:
(1)依据管涌发生发展的物理过程,将管涌发展过程中的渗流场分两部分来考虑:管涌通道以外的达西渗流场和管涌管道内的挟沙水流。通过考虑管涌通道含沙浓度对阻力的影响,给出了管涌通道渗透系数的计算公式,将管涌通道和非管涌区统一用常规渗流分析方法求解;引入通道边壁扩展判断条件,并建立管道内输沙量随时间的关系,建立了管涌随时间动态发展数学模型。
(2)根据所建立的数学模型,编写了可用于模拟堤基管涌发展过程的有限元计算程序。并针对已有模型试验结果来验证算法的合理性。
(3)针对典型双层堤基进行管涌分析,模拟典型堤基管涌发生及其演化的动态过程,研究典型堤基管涌的动态发展规律。计算结果表明本文提出的管涌计算理论体系是可行和有效的,能够反映管道发展过程中尖端位置与时间的关系以及管道半径扩展的变化趋势。