堤防的渗透变形及其发展的研究

论文摘要

渗透变形以及与渗透有关的问题是造成堤防在洪水期间险情的主要原因。研究堤基的渗透变形发展过程对于合理的评价堤防的安全性、预测渗透破坏的发生形式以及具体位置、对堤防抢险加固进行科学的指导等,都具有重要的理论和实践意义。堤基渗透变形过程实际上是“土中水”问题转变为“水中土”问题的过程。在渗透变形发生的“集中渗流通道”区域,已经不再满足土力学达西定律,转而满足流体力学Navier-Stokes方程。本文在模型试验研究的基础上,提出了一套基于渗流-管流耦合的渗透变形发展理论体系,并用无单元计算方法实现了基于上述理论体系的渗透变形过程数值模拟。主要的研究工作和创新性成果包括以下四个方面:1.通过模型试验研究堤基渗透变形发展的规律、机理。采用彩色砂示踪等新方法研究粘土层下砂土的运动情况;在探索悬挂式防渗墙对于抑制堤基渗透变形的作用机理的同时,讨论了防渗墙的不同位置对于其作用效果的影响。2.以模型试验成果为基础,研究堤基渗透变形的内在影响因素。将水力学以及泥沙动力学相关理论引入渗透变形发展过程分析,建立和完善了堤基渗透变形发展理论及判断体系。3.根据上述理论体系,首次提出了渗流与管流耦合的无单元实现方法。利用无单元法的积分网格和节点相互独立的优点,实现了计算过程中渗流域与管流域之间边界的自动实时移动;利用无单元节点删减、移动自由的特点,实现了计算过程中计算节点的局部加密。综合上述三方面的研究成果,编制了适合堤基渗透变形过程模拟的无单元法计算程序Freeseepde,并针对文中的大比例模型试验进行了数值验证。最后选择一个长江堤防的典型断面进行渗透变形过程的数值模拟。从数值分析的角度解释了一些在渗透变形过程中常见的现象,并评价了悬挂式防渗墙对于控制渗透变形的作用效果。实际计算结果表明本文提出的渗透变形理论体系是可行和有效的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 堤基渗透变形的定义与特点
• 1.2.1 渗透变形的定义
• 1.2.2 堤基渗透变形特点
• 1.2.3 小结
• 1.3 土的渗透变形评价方法研究现状概述
• 1.3.1 土体渗透变形类型的判别
• 1.3.2 流土破坏及其判别
• 1.3.3 管涌破坏及其判别
• 1.3.4 接触冲刷机理及临界水力梯度研究
• 1.3.5 接触流土机理及临界水力梯度研究
• 1.4 堤基渗透变形研究现状综述
• 1.4.1 堤基渗透变形理论及试验研究进展概述
• 1.4.2 堤基渗透变形数值模拟研究现状综述
• 1.4.3 小结
• 1.5 无单元法研究现状综述
• 1.5.1 无单元法的特点
• 1.5.2 无单元方法的发展及应用
• 1.5.3 无单元方法在堤基渗透变形过程模拟中的意义
• 1.6 论文的意义和主要研究内容以及创新性
• 1.6.1 研究意义
• 1.6.2 本文主要研究内容
• 1.6.3 本文的创新之处和意义
• 第2章 彩色砂模型试验
• 2.1 概述
• 2.2 二元堤基彩色砂示踪模型试验
• 2.2.1 试验目的
• 2.2.2 试验方法及内容
• 2.2.3 试验结果
• 2.2.4 试验结果分析
• 2.2.5 小结
• 2.3 多元堤基模型试验
• 2.3.1 试验目的
• 2.3.2 试验方法及内容
• 2.3.3 试验结果
• 2.3.4 结论
• 2.4 关于比尺问题的讨论
• 2.4.1 理论分析
• 2.4.2 轻质砂模型试验验证
• 2.5 本章小结
• 第3章 大比例模型试验研究及数值验证
• 3.1 概述
• 3.2 室内模型试验
• 3.2.1 试验方法及内容
• 3.2.2 试验方案
• 3.2.3 试验结果
• 3.3 试验结果分析
• 3.4 数值模拟
• 3.5 本章小结
• 第4章 堤基渗透变形机理分析
• 4.1 概述
• 4.2 堤基渗透变形过程分析
• 4.2.1 渗透变形的本质
• 4.2.2 堤基渗透变形发展过程
• 4.2.3 堤基土体物理状态分析
• 4.3 集中渗流通道尖端土体局部破坏模型
• 4.3.1 模型试验现象描述
• 4.3.2 物理模型抽象
• 4.3.3 数理模型推导
• 4.4 集中渗流通道内流体水头分布计算模型
• 4.4.1 模型试验现象描述
• 4.4.2 物理模型抽象
• 4.4.3 数理模型推导
• 4.5 集中渗流通道内流体砂颗粒起动流速计算模型
• 4.5.1 模型试验现象描述
• 4.5.2 物理模型抽象
• 4.5.3 数理模型推导
• 4.6 本章小结
• 第5章 无单元法追踪堤基渗透变形发展研究
• 5.1 概述
• 5.2 无单元法的数学基础
• 5.2.1 滑动最小二乘法
• 5.2.2 权函数的选取
• 5.2.3 节点影响半径的确定
• 5.2.4 滑动最小二乘法的收敛性
• 5.3 堤基渗透变形计算的无单元方法
• 5.3.1 渗流计算无单元法基本方程
• 5.3.2 数值实现
• 5.3.3 无单元法追踪集中渗流通道发展的实现方法
• 5.4 本章小结
• 第6章 程序设计及结果分析
• 6.1 概述
• 6.2 渗透变形程序的设计
• 6.2.1 程序概况
• 6.2.2 程序流程图
• 6.2.3 程序主要模块
• 6.3 程序的进一步说明及一些技巧
• 6.3.1 基本参数的选择
• 6.3.2 域的离散
• 6.3.3 判断节点位置
• 6.3.4 控制线技术
• 6.3.5 拟三维处理
• 6.4 算例分析
• 6.4.1 全断面进水矩形域
• 6.4.2 上游侧上表面进水的矩形域
• 6.5 本章小结
• 第7章 模型试验数值验证及典型堤防断面分析
• 7.1 概述
• 7.2 模型试验数值验证
• 7.2.1 计算参数选取研究
• 7.2.2 模型概化及节点布置
• 7.2.3 无防渗墙情况
• 7.2.4 有悬挂式防渗墙情况（防渗墙位于x=110cm 处）
• 7.2.5 小结
• 7.3 典型堤防断面分析
• 7.3.1 工程概况
• 7.3.2 断面简化以及节点布置
• 7.3.3 基本参数
• 7.3.4 计算成果和分析
• 7.3.5 小结
• 7.4 本章小结
• 第8章 结论与讨论
• 8.1 主要成果
• 8.1.1 模型试验方面
• 8.1.2 机理研究方面
• 8.1.3 数值计算方面
• 8.2 对进一步研究内容的建议
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果