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基于COMSOL的深厚覆盖层混凝土坝基坝体流固耦合规律研究

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基于COMSOL的深厚覆盖层混凝土坝基坝体流固耦合规律研究

作者：黄庆豪新疆农业大学

学位级别：硕士

我国西部山区河道深厚覆盖层易导致坝基的不均匀沉降、渗流破坏等问题。此类深厚覆盖层上坝型多为受坝基影响较小的土石坝,若需建重力坝时则常将其覆盖层挖除,将坝基坐落在基岩上。但由于实际工程的限制,如土石坝的建筑空间不满足要求,... 详细信息

我国西部山区河道深厚覆盖层易导致坝基的不均匀沉降、渗流破坏等问题。此类深厚覆盖层上坝型多为受坝基影响较小的土石坝,若需建重力坝时则常将其覆盖层挖除,将坝基坐落在基岩上。但由于实际工程的限制,如土石坝的建筑空间不满足要求,重力坝基坑开挖难度大且施工时长受限,此时就必须面临深厚覆盖层上修建如拱坝、闸坝这一类混凝土坝的实际工程问题。因此,本文以金盆拱坝为例,结合COMSOL数值建模计算和原型观测实验,验证了“三道地下连续防渗墙联合高压旋喷灌浆”这一拱坝坝基处理措施的可行性和COMSOL数值模拟流固耦合的可行性。以丹巴水电站为例,研究了不同固结灌浆深度下闸坝坝基-坝体的渗流、应力和位移变化情况。论文研究成果可为深厚覆盖层上修建混凝土坝的坝基设计提供理论支持,主要结论如下:（1）若河床深厚覆盖层与金盆水电站坝基覆盖层相似,可以在不挖除覆盖层的情况下修建与金盆大坝相似的双曲拱坝,坝高不宜超过35m。此时坝基可采用地下连续防渗墙结合高压旋喷灌浆这一措施进行处理。根据拱坝的流固耦合结果及监测数据表明,坝基渗流较小,沉降稳定,拱坝工作正常。（2）金盆拱坝流固耦合中位移数据与原型观测数据能够互相验证,说明了COMSOL耦合模拟是可行的。（3）若河床深厚覆盖层与丹巴水电站闸坝坝基覆盖层相似,其控制层为上部弱透水层和砾石层。上部弱透水层变形量较大,主要影响着坝基内部整体应力和水平位移的分布情况。而砾石层对坝基沉降起主导作用,此层位移占总位移的70%～73%。（4）若需通过固结灌浆对丹巴水电站闸坝坝基进行处理,当灌浆深度超过上部弱透水层时,坝基刚度随灌浆深度增大而增大;坝基沉降,坝底渗流随灌浆深度增大而减小;坝基水平位移随灌浆深度的增大而减小。

关键词：流固耦合深厚覆盖层渗流控制坝基处理 COMSOL Multiphysics 重力坝闸坝

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土壤盐渍化治理防护毯的研发及试验

农业工程学报 2015年第17期31卷 121-127页

作者：毛海涛黄庆豪龙顺江王正成重庆三峡学院土木工程学院重庆404100 武汉大学水利水电学院武汉430072 新疆石河子大学水利建筑工程学院石河子832002

土壤盐碱化问题是中国农业面临的一个巨大挑战,严重制约着农业生产的发展。为探索治理土壤盐渍化的方法,该文基于干旱区5类代表性土壤（砾砂、粉土/粉砂、粉土/粉细砂、粉土和亚黏土）的盐碱化规律,以盐碱土形成原因为切入点,结合土壤... 详细信息

土壤盐碱化问题是中国农业面临的一个巨大挑战,严重制约着农业生产的发展。为探索治理土壤盐渍化的方法,该文基于干旱区5类代表性土壤（砾砂、粉土/粉砂、粉土/粉细砂、粉土和亚黏土）的盐碱化规律,以盐碱土形成原因为切入点,结合土壤水的毛细管作用,以海绵（强力吸水层）、吸热聚乙烯编织布（蒸散加强层）为主要材料,设计出一种盐碱地治理防护毯,并对防护毯吸盐的深度和效果进行试验研究。结果表明：5类土壤表面的积盐情况各不相同,粗颗粒土（砾砂及砂土）含量较大时,在强蒸发条件下,3-4 d土样表面积盐后形成了一层厚约3-4 mm＂盐痂＂;细颗粒土（亚黏土和粉土）含量相对较多时,短期内表面积盐速度相对较慢且现象也不明显,10-12 d后,土样表面可观察到一层细密的晶体盐颗粒。所以,土壤岩性质地与表层积盐量关系密切。总体趋势是：土壤颗粒越粗,土壤表层在早期的积盐量越大;土壤颗粒越细,土壤表层在后期的总体积盐量越大。在干燥通风和室外温度25℃的条件下,防护毯针对上述不同类型土壤进行吸盐试验,在4 d后0-10 cm土层的含盐量（质量分数,下同）均可减少80%（P〈0.05）以上;〉10-20 cm土层至少减少50%（P〈0.05）以上;对于砂性土来说,〉20-30 cm土层含盐量减少了50%左右（P〈0.05）,而黏性土和壤土可减少20%-30%以上（P〈0.05）。对于实际中的盐碱土而言,含盐量减少30%时,土壤的肥力和可耕作程度会明显改善,能有效减小盐碱化对作物生长的影响。此外,研究还发现,铺设防护毯还能改变盐碱地表层土壤的结构,增强土壤的透气性。防护毯最佳使用时间应为土壤毛细管作用最强烈的时间段。该研究提供了一种有效的盐碱地治理措施。

关键词：土壤脱盐毛细管作用防护毯盐碱地治理海绵

水库防渗措施及坝后排水沟距离对周边农田地下水埋深的影响

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农业工程学报 2017年第11期33卷 98-107页

作者：毛海涛王正成王晓菊黄庆豪刘阳重庆三峡学院土木工程学院重庆404100 河海大学环境学院南京210098 新疆农业大学水利与土木工程学院乌鲁木齐830052

干旱区平原水库渗漏对下游农田土壤的水盐动态变化影响较大,易造成土壤的次生盐渍化和沼泽化。水库常采用"上防下排"措施来降低坝后农田地下水埋深,但排水沟参数如何选择,与坝基防渗体如何联合使用,治理效果如何等都值得深入研究。该文... 详细信息

干旱区平原水库渗漏对下游农田土壤的水盐动态变化影响较大,易造成土壤的次生盐渍化和沼泽化。水库常采用"上防下排"措施来降低坝后农田地下水埋深,但排水沟参数如何选择,与坝基防渗体如何联合使用,治理效果如何等都值得深入研究。该文基于非饱和土体渗流理论,以恰拉水库周边农田为研究对象,针对"上防下排"措施进行数值模拟,分析恰拉水库采用水平铺盖、悬挂式防渗墙或无防渗措施时,坝后农田地下水埋深与坝后排水沟位置及深度的关系,并针对下游坝坡稳定及坝后积水进行分析,并通过田间试验进行验证。研究表明:在不同的渗流控制方案下,农田地下水埋深均以排水沟中轴线为对称轴呈现"漏斗形"降落趋势,排水沟前地下水埋深逐渐增大,排水沟后的地下水位有一小幅度的减小,因此,"上防下排措施"从"源头"处减小渗水进入坝后农田,增大农田地下水埋深。3种方案对比显示,不同"上防下排"渗流控制方案在遏制水库渗漏和减小坝后农田地下水的效果不同。悬挂式防渗墙和无防渗体工况不能有效减小水库的渗漏量,联合排水沟使用效果较差。22倍水头的水平铺盖在渗流控制方面优于悬挂式防渗墙和无防渗体时的工况,联合坝后排水沟及时排水后,可有效的将地下水埋深控制在2.72 m左右,大于当地的地下水临界水位2.45,有效遏制坝后土壤的盐渍化趋势。排水沟设置的位置和深度对大坝稳定存在一定影响,计算实际工况(22倍水平铺盖)时下游坝坡抗滑安全系数为1.358,大于下游坝坡最小抗滑安全系数1.242,下游坝坡处于安全状态。排水沟设置后,坝趾至沟间的积水长度是产生坝后沼泽化的主要原因。计算和实测实际情况下的积水长度为0.27 m,沼泽化面积较小。此外,计算还发现避免农田沼泽化对应的排水沟最小深度为5.18 m,实际工程中排水沟深度为6 m,可见当前的防渗形式以及排水沟至坝趾的距离及深度是合理的。库水位变动、排水沟排水的及时性对坝后地下水埋深也有较大的影响,排水沟作为辅助措施应与农田排水沟(渠)、水库防渗体以及农田灌溉制度配合使用,才能更加有效的发挥作用。

关键词：地下水土壤模型土地盐渍化水平铺盖排水沟

基于Copula函数的三峡库区万州段蓄水前后降雨径流关系分析

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泥沙研究 2021年第3期46卷 57-63页

作者：毛海涛邹敏何涛黄庆豪山西农业大学城乡建设学院山西太原030000 长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局重庆400021 重庆三峡学院土木工程学院重庆404000

基于万县水文站的降雨-径流实测资料,引入Copula函数模型,定量分析蓄水过程对降雨-径流的影响规律。研究表明:Copula联合分布模型能较好地模拟不同阶段的降雨-径流关系。蓄水前降雨和径流均满足皮尔逊Ⅲ型分布。施工期和初步蓄水阶段,... 详细信息

基于万县水文站的降雨-径流实测资料,引入Copula函数模型,定量分析蓄水过程对降雨-径流的影响规律。研究表明:Copula联合分布模型能较好地模拟不同阶段的降雨-径流关系。蓄水前降雨和径流均满足皮尔逊Ⅲ型分布。施工期和初步蓄水阶段,降雨和径流分别为Gumbel分布和对数正态分布。试验性蓄水阶段的降雨为对数正态分布,径流恢复到皮尔逊Ⅲ型分布。施工期及初步蓄水阶段较蓄水前的降雨量和径流量均减少,变幅区间分别减少38.4%和20.6%。试验性蓄水阶段年降雨量增大,变幅区间增加24.5%,而年径流量减少,变幅区间减少57%。研究成果可对三峡库区水资源开发利用具有一定的参考价值。

关键词：降雨径流关系三峡库区 Copula函数年降雨量年径流量

电极布置对电阻率精确性影响的试验研究与仿真分析

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土木与环境工程学报（中英文） 2019年第6期41卷 61-70页

作者：申纪伟毛海涛黄庆豪王正成闫磊重庆三峡学院土木工程学院

电阻率法在土壤测试的精确性方面存在较多不足,而电极是影响精度的重要原因,尤其是二极法测试。若能确定电极与土壤的接触程度,以及两电极间距离对测试结果的影响,将可最大化避免电极的干扰。基于二极法电阻率测试方法,选用锌污染标准... 详细信息

电阻率法在土壤测试的精确性方面存在较多不足,而电极是影响精度的重要原因,尤其是二极法测试。若能确定电极与土壤的接触程度,以及两电极间距离对测试结果的影响,将可最大化避免电极的干扰。基于二极法电阻率测试方法,选用锌污染标准砂作为模拟土壤,以测试交流电阻率为例,设置不同接触程度与不同电极间距两种工况,并结合COMSOL软件仿真分析,研究电极布置对电阻率测试的影响,并建立分析模型与误差计算式。研究结果表明:试验与模拟分析可相互验证和补充。接触程度越大,越有利于电阻率测试,随接触程度增大对测试电阻率的影响逐渐减弱;电极间距越大,对测试电阻率的影响越弱,细长型试样更有益于提高测试精度。导电模型分为正常段与受电极影响的过渡段串联,同时,径向电流密度可较好表征出各段的长度和极化情况。过渡段长度和极化随接触程度的增大而减小,与电极间距无关,通过电极布置模型可拟合不同电极间距的测试结果,得出正常电阻率。

关键词：电阻率 COMSOL仿真电极极化电流密度

北疆平原水库水面蒸发模型的建立与关键参数确定

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农业工程学报 2018年第6期34卷 129-136页

作者：毛海涛王正成王晓菊侍克斌黄庆豪姜海波重庆三峡学院土木工程学院重庆404100 河海大学环境学院南京210098 新疆农业大学水利与土木工程学院乌鲁木齐830052 石河子大学水利建筑工程学院石河子832000

北疆平原地区的温带大陆性干旱半干旱气候具有空气干燥、温差大、气压差异明显、风多且风速大等特点;而该地区平原水库又具有坝长,面积广而水深较浅的特点。已有的水面蒸发模型并未充分考虑到上述区域性和平原水库的特点,计算误差较大,... 详细信息

北疆平原地区的温带大陆性干旱半干旱气候具有空气干燥、温差大、气压差异明显、风多且风速大等特点;而该地区平原水库又具有坝长,面积广而水深较浅的特点。已有的水面蒸发模型并未充分考虑到上述区域性和平原水库的特点,计算误差较大,不能准确估算出新疆灌区平原水库的蒸发量。文中以道尔顿模型为基础,依据已有3因子模型的研究方法,充分考虑了气压差、风速、湿度和温度共4个主要因素对水面蒸发的影响,建立4因子模型。通过理论分析得到各影响因素的表达式,由20 m2蒸发池试验观测获取公式中的关键参数。通过大泉沟平原水库完整的水文水资源观测资料,采用水量平衡法计算出水库蒸发量,4因子模型计算结果能与其基本吻合;同时考虑到尺度上的差异,引入修正系数对模型进一步进行修正,通过对观测数据的深度分析最终确定,在冰冻期修正系数为0.886,非冰冻期修正系数为0.939。修正后的4因子计算模型不仅能准确模拟出大泉沟水库的水面蒸发量,而且与北疆其他地区的7座水库蒸发量也能够较好吻合,验证了该模型的精确性和可靠性。该模型所需的数据都是基本的气象资料,易于获取,计算简便,实用性好。综上所述,该模型方法正确,能准确估算内陆干旱区平原水库的蒸发量,为内陆干旱区水资源合理利用与科学管理提供理论支持。

关键词：模型蒸发水库关键参数北疆

基于Copula函数的三峡库区万州段蓄水前后降雨量-径流量关系分析

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水资源与水工程学报 2021年第2期32卷 23-30,37页

作者：王晓菊毛海涛黄庆豪程龙飞山西农业大学城乡建设学院山西太谷030801 武汉大学水利水电学院湖北武汉430072

三峡水库蓄水对其库区降雨量-径流量关系变化的影响程度对于库区水资源规划有着重要意义。选用万县水文站1977-2017共计41 a的降雨量和径流量实测值,确定了各蓄水阶段降雨量和径流量的分布情况,引入Copula函数模型计算各阶段的联合分布... 详细信息

三峡水库蓄水对其库区降雨量-径流量关系变化的影响程度对于库区水资源规划有着重要意义。选用万县水文站1977-2017共计41 a的降雨量和径流量实测值,确定了各蓄水阶段降雨量和径流量的分布情况,引入Copula函数模型计算各阶段的联合分布函数,定量分析水库调蓄对两者关系的影响,预测了2017年后水文情势。结果表明:采用Copula函数联合分布数学模型能较好计算三峡库区万州段不同阶段的降雨量-径流量关系。万州段从天然河道变为库区河道后,降雨量-径流量关系发生了较大变化。在天然河道阶段,降雨量和径流量均采用皮尔逊Ⅲ型分布最为合理;三峡水库工程施工期和初步蓄水阶段,降雨量变为Gumbel分布,径流量变为对数正态分布;试验性蓄水阶段,降雨量变为对数正态分布,径流量恢复至皮尔逊Ⅲ型分布。年降雨量和年径流量在施工期及初步蓄水阶段较天然河道阶段均有所减少,年降雨量变幅区间减小38.4%,年径流量变幅区间减小20.6%;试验性蓄水阶段的年降雨量增多,变幅区间增大24.5%,而年径流量减少,变幅区间减小57%。通过该数学模型预测三峡库区万州段今后年径流量不小于3490×10^(8)m^(3)(±5%),最大不超过4055×10^(8)m^(3)(±5%);年降雨量不小于1048 mm(±5%),最大值不超过1842 mm(±5%)。该研究可为三峡库区万州段流域水资源开发利用与水文序列的重构工作等提供科学依据,也可为其他库区内河道的水文特性变化关系的研究提供参考。

关键词：降雨-径流关系 Copula函数年降雨量年径流量三峡库区

固结灌浆深度对丹巴水电站深厚覆盖层坝基中流固耦合的影响

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水电能源科学 2020年第5期38卷 86-90页

作者：黄庆豪侍克斌毛海涛王晓菊新疆农业大学水利与土木工程学院新疆乌鲁木齐830052 重庆三峡学院土木工程学院重庆404100

中国西南地区水利工程多建于有明显强弱相间结构的河谷深厚覆盖层上,此类大坝通常采用垂直防渗墙或帷幕灌浆等防渗措施,但这些措施不能有效提高坝基承载力,坝基不均匀沉降反而会造成防渗体的破坏和失效。因此,引入多孔介质存储系数S_α... 详细信息

中国西南地区水利工程多建于有明显强弱相间结构的河谷深厚覆盖层上,此类大坝通常采用垂直防渗墙或帷幕灌浆等防渗措施,但这些措施不能有效提高坝基承载力,坝基不均匀沉降反而会造成防渗体的破坏和失效。因此,引入多孔介质存储系数S_α,采用有限元软件Comsol Multiphysics建立双场耦合模型,探寻固结灌浆联合垂直防渗墙条件下深厚覆盖层渗流场和应力场演化规律。研究发现,层状深厚覆盖层中,上部弱透水层、弹性模量较小而厚度较大的强透水层是固结灌浆的控制层。当上部关键层固结灌浆后,且灌浆深度达到总坝基深度50%以上时,再增加灌浆深度意义不大。研究成果可为类似工程提供参考。

关键词：固结灌浆流固耦合 Comsol Multiphysics仿真深厚覆盖层

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广西崇左加快边境小额贸易发展的建议

中国国情国力 2020年第3期 70-73页

作者：黄庆豪程军方韦长智国家统计局崇左调查队

广西崇左市边境贸易沿于20世纪80年代初,经过30多年的发展,已经成为促进经济社会发展、实现兴边富民的重要途径。本文分析崇左市边境贸易发展现状、优势和存在的问题,对新时期崇左市发展边境贸易提出对策建议。

关键词：边境小额贸易优势