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土体渗透变形发展过程及其影响因素的离散元数值模拟研究

土体渗透变形发展过程及其影响因素的离散元数值模拟研究

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作者：朱炳中国水利水电科学研究院

学位级别：硕士

不良级配粗粒土的渗透变形破坏是影响面板砂砾石坝、砂砾石坝基等防渗安全的重要原因。我国唯一的高土石坝溃决案例,即沟后混凝土面板砂砾石坝,溃坝过程即与坝体砂砾石的渗透变形存在密切联系。渗透破坏是土石坝溃决的主要原因之一。近... 详细信息

不良级配粗粒土的渗透变形破坏是影响面板砂砾石坝、砂砾石坝基等防渗安全的重要原因。我国唯一的高土石坝溃决案例,即沟后混凝土面板砂砾石坝,溃坝过程即与坝体砂砾石的渗透变形存在密切联系。渗透破坏是土石坝溃决的主要原因之一。近年来,中国将修建一批高面板砂砾石坝,如阿尔塔什、大石峡等,此外,也有不少高土石坝修建在砂砾石等粗粒土覆盖层坝基上,例如泸定、瀑布沟、黄金坪、长河坝等,渗透变形控制对工程安全意义重大。研究粗粒土渗透变形机理、过程及其影响因素,对于保证工程建设运行安全具有重要意义。已有学者通过室内试验研究了总水力比降数值、土料密实度、颗粒级配等对渗透变形的影响机制,为解决实际材料试验中难以监测颗粒运移、局部水力比降等细观现象的困难,数值试验逐步发展为渗透变形研究手段的重要补充。本文利用离散元软件PFC3D,并外接CFD流体求解器,针对单一粒径粗粒组和细粒组混合而成的不良级配粗粒土,考虑孔隙水与固体颗粒的相互作用,模拟了一定水力比降作用下土体的渗透变形过程,对比分析了初始细粒含量、相对密度、总体水力比降等对渗透变形过程的影响,并观察了特定细颗粒在渗流作用下的运动路径、速度,分析了渗透变形过程中土样内部的局部水力比降、局部细粒含量等的分布,研究了土体渗透稳定性的发展变化规律。在一定水力比降作用下,土样中细颗粒运移会经历两个阶段,初期渗透压密,土样整体运动速度较低,仅在靠近渗流出口部分细粒运动速度相对较快,之后随着渗透变形发展,渗透通道和运移通道逐步开敞,土样中部和靠近入口处细颗粒运移速度加快。渗透变形发展过程中,土样出水口和入水口位置细粒含量降低、局部水力比降减小,而中部细粒含量增大、局部水力比降缓慢增加,当土样中初始细粒含量达到40%时,土样中部细粒含量会提高,并逐渐出现明显淤积层。土体渗透变形取决于整个渗径上的渗透稳定性,土料自身颗粒粒径几何关系确定的内部稳定性不能完全表征土体的渗透稳定性,渗流出口的保护条件,在很大程度上也会影响渗透变形过程中土料细颗粒运移的空间分布规律。靠近墙体的颗粒,运动较快,远离墙体的颗粒运动较慢,与靠近墙体部分局部孔隙率较高、存在边壁优势流效应有一定关系。在土样细粒含量相同的情况下,土样密实度越高,其细粒流失量越少,即越密实的土样越不容易发生管涌;水力比降的增大,可以明显加快细颗粒的运动速度。并不是级配满足不稳定条件就能以很小的水力比降驱动土样的破坏,颗粒自身还有位置的问题,颗粒运移在顺水流方向运动的同时还需要克服其他阻力,也需要水平向运动以找到孔隙,而水平运动的动力,也是来自于渗透力带来的沿颗粒滑移。

关键词：不良级配粗粒土渗透变形计算流体力学离散元局部水力梯度

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