河岸崩塌机理及其流固耦合模型研究

论文摘要

由于水流和岸坡的相互作用而使岸坡失稳的自然现象叫做河岸崩塌,崩岸往往酿成重大险情,严重威胁着两岸人民的生命和财产安全。长期以来,国内外不少专家学者对河岸崩塌进行过研究,目前,对崩岸的认识在很大程度上仍处于经验阶段,对崩岸机理尚缺乏较系统的研究。本文在前人研究的基础上,对崩岸的机理、岸坡内渗流场的仿真分析、渗流场应力场耦合模型、耦合情况下的河岸稳定分析和各影响因素的敏感性分析等问题开展了较为深入的研究。主要研究内容如下:(1)归纳总结了崩岸的成因类型及其特点,研究了水流、岸坡组成、地下水位等因素对河岸稳定的影响机理。(2)基于强度折减法,并结合一典型算例,对其进行稳定分析,此外,还对崩岸的主要影响因素进行了敏感性分析,结果表明,坡角的敏度度最大,内摩擦角最小,粘聚力介于其中。(3)基于渗流的基本理论,建立了渗流的分析模型,并结合算例,对其进行渗流场仿真分析。(4)基于Biot固结原理和有效应力原理,较系统地研究了渗流场和应力场相互作用的机制,阐述了基于有限差分法的渗流场和应力场耦合数学模型。结合典型算例,对其进行了数值模拟,较为深入地研究了两场耦合的过程;对耦合情况下的河岸稳定影响因素进行了敏感性分析,结果表明:坡角的敏感度在耦合情况下变化最大。此外,还对河岸在流固耦合情况下的稳定进行了研究,分析了在不同坡角、不同内水位差、不同土质条件下的稳定情况,绘制了河岸崩塌的预测曲线,该曲线可用于指导工程实践。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.1.1 河岸崩塌的危害
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 文献回顾及相关研究进展
• 1.2.1 崩岸机理相关研究进展
• 1.2.2 岸坡稳定分析方法研究进展
• 1.2.3 渗流场应力场耦合研究进展
• 1.3 问题的提出
• 1.4 本文主要研究的内容
• 第二章 河岸崩塌的影响因素及其敏感性分析
• 2.1 概述
• 2.2 河岸崩塌及其特点
• 2.2.1 河岸崩塌的类型
• 2.2.2 河岸崩塌的主要特点
• 2.3 河岸崩塌的影响因素分析
• 2.3.1 水流因素
• 2.3.2 河岸组成因素
• 2.3.3 地下水因素
• 2.3.4 岸坡形态因素
• 2.3.5 其他因素
• 2.4 河岸崩塌主要影响因素的敏感性分析
• 2.4.1 岸坡稳定的求解方法
• 2.4.2 敏感性分析方法的原理
• 2.5 算例分析
• 2.5.1 模型参数
• 2.5.2 计算方案
• 2.5.3 计算结果分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 河道岸坡渗流场仿真分析
• 3.1 概述
• 3.2 渗流基本理论
• 3.2.1 土水势理论
• 3.2.2 运动方程
• 3.2.3 连续性方程
• 3.2.4 定解条件
• 3.3 渗流问题的数值计算方法
• 3.3.1 数值计算方法在渗流分析中的应用
• 3.3.2 有限差分法的理论基础
• 3.3.3 平面问题有限差分基本原理
• 3.4 算例分析
• 3.4.1 模型参数
• 3.4.2 计算工况
• 3.4.3 计算结果分析
• 3.4.4 水位下降时岸坡内渗流场分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于流固耦合模型的河岸稳定分析
• 4.1 概述
• 4.2 河道水位变化时流水与土体的相互作用
• 4.2.1 河道水位变化与岸坡渗流的关系
• 4.2.2 河道水位变化时的岸坡土体性质
• 4.3 渗流场、应力场相互作用的机制
• 4.3.1 基本原理和方法
• 4.3.2 渗流场对应力场的影响
• 4.3.3 应力场对渗流场的影响
• 4.4 基于有限差分法的流固耦合数学模型
• 4.4.1 模型的建立
• 4.4.2 水力参数的确定
• 4.5 算例分析
• 4.5.1 模型介绍
• 4.5.2 模型监测及计算方案
• 4.5.3 计算结果分析
• 4.5.4 耦合情况下河岸崩塌的预测
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果