堤坝管涌的室内试验与颗粒流细观模拟研究
堤防管涌发生可能性识别的网格搜索-支持向量机方法
堤防管涌发生可能性识别的网格搜索-支持向量机方法翟越;刘浪;于澍【摘要】针对堤防管涌的评价涉及多种变量且各变量之间存在着高度的非线性关系,应用统计学习理论并结合工程实际,提出基于支持向量机(SVM)理论的堤防管涌发生可能性识别方法.将影响管涌演化、发生和导致破坏的因素进行归纳,选取坝高H、坝前水深Hp、下游边坡m、土的有效凝聚力c、有效内摩擦角ψ、饱和单位容重γ、渗透系数K、最大有效粒径疏db和下游滤层倾角δ共9种代表性的优势参数作为模型的输入,将堤坝管涌发生的可能性因子λ作为模型的输出,以16个堤防管涌工程实例作为学习样本进行训练,采用RBF核函数,建立堤防管涌发生可能性识别的支持向量机分类模型.为提高预测模型的泛化能力和预测精度,利用网格搜索寻优方法对支持向量机模型的参数进行了优化,并对7组待判实例进行判别.研究结果表明:建立的网格搜索优化支持向量机分类模型对堤防管涌发生可能性识别结果与实际结果吻合,正确率达95％,可考虑在实际工程中进行推广.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(046)004【总页数】7页(P1497-1503)【关键词】堤防工程;管涌;支持向量机;网格搜索法;预测【作者】翟越;刘浪;于澍【作者单位】长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安,710064;西安科技大学能源学院,陕西西安,710054;西安城市建设综合开发中心,陕西西安,710054【正文语种】中文【中图分类】TV3堤防工程是关系国计民生的关键性水利工程，它的安全与稳定至关重要。
每临汛期，沿江各堤段常出现溃堤险情，常常导致堤防失稳、坍塌甚至溃堤事故，造成重大人员财产损失，堤基渗透变形破坏是引起堤防险情的主要原因，而管涌在其中占了相当大的比例[1−2]。
为此，实现堤防工程管涌灾情准确判定和预报，为防汛抢险决策提供技术支撑，对确保人民生命财产安全具有重要的经济和社会意义，也是多年来岩土和水利工程界一直普遍关注的热点研究课题。
长江干堤典型管涌险情成因分析及对策研究
2021年1月水利水电快报EWRHI第42卷第1期引用格式：崔皓东，陆齐,陈劲松，等.长江干堤典型管涌险情成因分析及对策研究[_(].水利水电快报,2021,42(1) :54-58.长江干堤典型管涌险情成因分析及对策研究笮砝东'，陆冬\陈劲枳'，威山涛1，社锌1(1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北武汉430010;2.安庆市长江河道管理处，安徽安庆246003)摘要：管涌是长江堤防最常见也是危害最大的险情之一，至今仍是长江堤防安全的重要威胁2020年汛期，长江干堤局部超警戒水位持续长达60(1,为近年最长时间，其中，城陵矶最高水位达到34.74 m,也为近年最高水位以长江干堤岳阳瓦湾段管涌险情为例，利用历史资料和现场调查，根据该段地质条件及渗控措施，建立了三维渗流有限元模型，重点模拟减压井失效及功能发挥工况下，该段地层内渗透比降分布特征，揭示该处管涌险情成因，并探讨相应处理对策论文研究成果可为类似堤段汛后除险加固提供参考,.，关键词：管涌险情；减压井；除险加固；长江干堤岳阳瓦湾段中图法分类号:TV871.3 文献标志码：A DOI ： 10.15974/ki.slsdkb.2021.01.010文章编号：丨〇〇6-〇〇81 (2021 )01 -0054-051研究背景洪水是有史以来人类面临的最大威胁之一，长 江中下游又曾是洪灾频发地区。
2020年长江遭遇 了近几年最严重的洪水，其中城陵矶站水位超警戒 持续时间长达60 d，居新中国成立以来第3位，仅次 于1998年和1954年；最高水位达34.74 m，为21世 纪第二高水位。
2020年长江干堤险情相对较少，得 益于1998年洪水后长江堤防达标建设及三峡水库 的精细调度，但仍有部分管涌险情、井险及老旧涵 闸险情等发生。
管涌是长江堤防最常见的险情，据1998年灾后 统计，长江干堤及洞庭湖区较大险情中，管涌占比 超过50%111。
堤基管涌模型试验研究
一、通信仿真概述 （ 一） 通信的基本概念以及分类。通信是通过某种媒体 进行的信息传递。古代，人们通过驿站、飞鸽传书、烽火报警 等方式进行信息 传 递。 今 天，随 着 科 学 水 平 的 飞 速 发 展，相 继出现了无线电，固话，手机，互联网甚至可视电话等各种通 信方式。对于点到点之间的通信，按消息传送的方向与时间 的关系，通信方式可分为： 单工通信、半双工通信、全双工通 信。数字通信中，按 照 数 字 信 号 码 元 排 列 方 法 不 同，通 信 方 式可分为： 串行传输和并行传输。 （ 二） 通信系统的组成。 1． 信息源。信源是发出信息的源，其作用是把各种可能 消息转换成原始电信号。信源可分为模拟信源和数字信源。 模拟信源（ 如电话机、电视摄像机） 输出连续幅度的模拟信
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（ 二） 试验过程及分析。本试验采用的是逐级增加水头 的方式进行，每级水头渗透变形稳定后再继续抬高水头进行 下一步试验。模型渗透变形稳定的判别标准是： 渗水清澈稳 定且砂粒不再带出，测压管水位平稳和渗流量稳定。
与水头的逐级升高相照应，堤基管涌的渗透破坏可以分 为三个特征鲜明的阶段： 一是无明显渗透破坏阶段，这一阶 段渗流量和水力坡降基本上呈线性关系，堤基砂层的颗粒没 有被带出的现象发生； 二是堤基局部发生管涌破坏阶段，这 一阶段渗流量和水力坡降也呈线性关系，堤基砂层的颗粒也 逐渐被带出，但是渗透变形最终能够达到稳定状态不再发展 （ 在实验水头保持不变的情况下） ； 三是堤基整体破坏阶段， 这一阶段渗流量和明显偏离了线性关系，管涌通道在试验水 头保持不变 的 情 况 下 能 够 持 续 发 展，最 终 与 上 游 进 水 口 连 通，导致堤基整体破坏和溃堤。
苏北围垦大堤堤基土渗透破坏现场试验研究
第11卷第7期中国水运V ol .11N o.72011年7月Chi na W at er Trans port J ul y 2011收稿日期：56作者简介：张炫，河海大学港口航道与近海工程学院。
苏北围垦大堤堤基土渗透破坏现场试验研究张炫，何良德，庄宁（河海大学港口航道与近海工程学院，江苏南京210098）摘要：在分析江苏苏北淤积海岸带淤积土结构特性与粒组组成的基础上，采用数码摄像与成像跟踪渗透全过程的现场渗透变形试验与室内颗分试验，通过现场试坑模拟高潮位及不同潮位变动频率条件下堤基渗透破坏形式与临界破坏动力条件，观测土体在不同水位变化条件下发生渗透破坏的细观特征，进一步研究了颗粒移动规律、渗透破坏类型与水力梯度、流量的关系，总结出围垦大堤堤基土渗透破坏的规律。
研究表明，堤基土颗粒分布特征、颗粒级配对渗透变形的类型具有决定性作用的结论。
为控制土体渗透变形稳定性的改善土体不均匀系数的措施提供重要试验依据。
关键词：围垦大堤；渗透破坏；临界水力坡降；现场渗透试验中图分类号：TV 223.4文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2011）07-0162-03一、引言江苏沿海地区位于我国东部沿海的中心地带，是沿海、沿长江和沿陇海兰新线三大生产力布局主轴线的交汇区，在全国区域发展大格局中具有“连接南北、沟通东西”的重要战略地位。
加快江苏沿海滩涂资源开发，已成为一项重大的国家战略决策。
江苏沿海滩涂面积广阔，后备土地资源丰富，居全国首位。
根据《江苏沿海地区发展规划》战略布署，“江苏沿海滩涂围垦270万亩垦区”建设任务已成为沿海经济快速发展的重要举措之一，对缓解我国人多地少的矛盾、补充耕地资源不足、拓展长三角产业发展空间具有重要作用。
但要科学地完成270万亩滩涂围垦的建设任务，仍有许多关键技术亟待解决。
围垦筑堤涉及堤基稳定性问题，而堤基渗透变形是围垦工程中的重要研究方面之一，尤其是江苏苏北海岸带的淤积物，颗粒组成特殊、土层厚度大、加上潮位变动大及高潮位的影响等，使得有关堤基土的渗透变形机理复杂，影响因素众多。
砂土管涌的细观机理研究
摘要 ： 利用数 码可视化跟踪技术 和数字信息计算 机实时处理技 术进行 管涌细 观模 型试验 ， 细观角度研 究砂土管 从 涌机理 ． 研究得 到管涌发展过程 中颗粒的移动规律 ， 漏通道 的形成特 点 ， 渗 流速 、 颗粒位 移场 等随水力 梯度 的变化
特Байду номын сангаас ， 并从级 配角度分析 土样 的稳 定性 ， 到土体的稳定性与级配 曲线形状及不 均匀系数 等因素有关 的结论 ． 得 结果
表明 ， 管涌形成 过程 中流速 、 颗粒运动 和渗透 通道形成规律很大程度上取决 于骨架 颗粒 、 可动颗粒 以及水 之间的相 互作用 ， 明水土相互作用贯 穿管涌发展 的全过程 ． 表
关键词 ： 管涌 ； 观机 理 ； 透通道 ； 配 曲线 ； 土相互作 用 细 渗 级 水
中图分类号 ：Ｔ ４ １ Ｕ ４ 文献标识码 ： Ａ 文章 编号 ： ２ ３ ３４ ２ ０ ）６ ０ ３ — ５ ０ ５ — ７ Ｘ（０ ８ ０ — ７ ３ ０
Ｍ ｅ ｏ ｍ ｅ ｈ ａ ｕ ｙ ｏ ｉ ｇ ｉ ｎ ｙ Ｓｏｉ ｓ － ｃ ａｎ ｃ ｌＳｔ ｄ ｎ Ｐｉ ｎ ｎ Ｓａ ｄ ｉ ｐ ｌ ｓ
Ｚ ＨＯＵＪａ 一 ＡＯ Ｚ ｉｉ ｇ ，， ＡＩＹ ｎ ｅｇ ，Ｚ ＡＮＧＪａ ｉｎ ， ，Ｙ ｈｘ ｏ 一 Ｂ ａ ｆ ｎ Ｈ ｎ ｉｏ
Ｊｎ ０８ ｕ ．２ ０
砂 土 管 涌 的 细 观 机 理 研 究
周 健 ， 志雄 ， ，姚 一 一 白彦峰 张 ，
（． １同济大学 地 下建筑 与工程 系 ， 上海
教育部重点实验室 ， 上海
姣
２０９ ；． ００２２ 同济 大学 岩土及地下工程
２０９ ；． ０ ０ ２ ３ 福建省交通科学技术研究所 ， 福建 福州 ３ ０ ０ ） ５０ ２
试论堤坝管涌的成因与防治
试论堤坝管涌的成因与防治作者：岑天锡来源：《城市建设理论研究》2013年第09期摘要：堤坝质量关系着人民的生命财产安全，而管涌是危害堤坝安全的重要工程隐患。
因此，探讨管涌形成的原因及如何防护治理是提高堤坝建设与管理的重要课题。
本文结合工程实际，分析了管涌形成的原因，并在此基础上提出相应的防治措施。
关键词：堤坝管涌；成因；防治中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：1堤坝管涌成因管涌是指在汛期高水位情况下，堤内平地发生“流土”和“潜蚀”两种不同含义的险情的统称。
堤坝形成管涌原因很多，大致可分为以下几种情况：堤坝前期工作未做或做的不够细致，因而，对堤坝基础由多元质地结构组成不详，致使堤坝内处于高水位运行时，堤坝外原有透水层在堤内渗水压力作用下，持续携带泥沙而形成了管涌，如不及时发现抢护，将会酿成堤坝垮塌事故；在堤坝建设或续建过程中，未对堤坝内外划定安全取土界限，在建堤坝过程中取用了安全区不透水层土料，从而使堤坝在高水位运行时，通过堤坝后就近取土坑渗出水流并携带粉细砂持续流失，即造成堤坝垮塌事故。
在堤坝建设中，因对施工质量监管不严，把不合乎堤坝要求的土料，如粉细砂或干土块、冻土块（寒冷地区）填筑堤坝，在堤坝体中形成了薄弱层，在堤坝运行至水位高于此层时，就将形成透水酿成管涌险情。
例如：新疆乌鲁木齐市米东区塔桥湾水库（中型），于1962 年冬季在续建加高坝体时，因把3cm左右的积雪层未清除，而在其上加高，致使该库运行至1963 年6月中旬，库水位升至积雪层高层时，在夜深人静时，先发生渗流，近而管涌，直至大坝垮塌（见图 1）。
在堤坝外从事农田耕作、凿井、修渠或矿区挖掘等，破坏了堤坝后上下不透水层，而形成管涌结局。
图1：填筑质量不佳，管涌示意图2 堤坝管涌防治据上述形成管涌的诸多成因，我们应对已建、续建或新建堤坝工程可能造成的各种管涌隐患，做到早发现，早防护，早治理，以防患于未然。
对堤坝工程做好水文地质等前期工作，做出有无发生管涌隐患的科学论证，如有，就要做好其可靠的防治工程措施。
管涌现象细观机理的模型试验与颗粒流数值模拟研究
管涌现象细观机理的模型试验与颗粒流数值模拟研究一、本文概述管涌现象，作为一种在土壤或岩石介质中常见的流动现象，对于理解地下水流、土壤侵蚀、地质工程稳定性等问题具有重要意义。
近年来，随着计算机科学和数值方法的快速发展，对管涌现象的细观机理进行模型试验和颗粒流数值模拟研究逐渐成为研究热点。
本文旨在通过系统的模型试验和颗粒流数值模拟，深入探讨管涌现象的细观机理，以期为相关领域的研究和实践提供新的视角和工具。
本文首先通过文献综述，回顾了管涌现象的研究历程和现状，总结了目前研究中存在的问题和挑战。
在此基础上，设计了一系列模型试验，以模拟不同条件下的管涌过程，观察和分析管涌现象的发生、发展过程以及影响因素。
同时，利用颗粒流数值模拟方法，建立管涌现象的数值模型，对管涌过程中的颗粒运动和流动行为进行深入分析。
本文的研究内容主要包括以下几个方面：一是设计并开展管涌现象的模型试验，包括试验装置的设计、试验材料的选取、试验过程的控制等；二是利用高速摄像和图像处理技术，对模型试验中的管涌过程进行定量和定性分析，揭示管涌现象的细观机理；三是建立管涌现象的颗粒流数值模拟模型，通过模拟不同条件下的管涌过程，验证模型的准确性和可靠性；四是对比分析模型试验和数值模拟的结果，深入讨论管涌现象的影响因素和发生机制，提出相关理论假设和模型修正建议。
本文的研究成果将为深入理解管涌现象的细观机理提供新的方法和视角，有助于推动相关领域的研究进展和实践应用。
本文的研究方法和技术手段也可为其他类似问题的研究提供借鉴和参考。
二、管涌现象概述管涌是土壤或岩石介质在渗流作用下的一种特殊现象，主要发生在松散介质中，如砂土、砾石层等。
当渗流速度超过某一临界值时，介质中的细小颗粒会被渗流携带走，形成管涌通道。
这些通道会逐渐扩大，并可能连接成网络，严重威胁到工程的安全。
管涌现象的发生通常伴随着一系列复杂的物理化学过程，包括颗粒间的应力变化、孔隙水压力的分布与变化、颗粒间的摩擦和碰撞等。
透明土可视化技术的发展及其在岩土力学中的应用
透明土可视化技术的发展及其在岩土力学中的应用摘要：江河水道提防是我国水利工程防洪工程系统中至关重要的组成部分，作为最后一道防线保护着下游人民群众的生命财产安全。
但在渗透水流反复冲刷作用下，管涌型渗透破坏频频发生，造成了极大的社会经济损失，所以对管涌发生发展的细观机理研究对于解决江河水道提防工程的安全防护具有至关重要的意义。
相较于传统的管涌机理研究，人工合成透明土材料以及粒子示踪数字图像处理技术的出现，使得可视化的渗透破坏实验得以实现。
关键词：透明土；室内试验；渗透管涌；岩土工程1引言传统的土力学室内试验中，由于天然土体本身的不透明的特性，对试验过程中土体形态的变化只能停留在土体的表面，无法对内部细观土体颗粒的真实情况进行最直观的观测与记录。
在透明土材料问世并成熟之前，为了达到可视化的目的学者们也进行了多种尝试。
[1-4]早在二十世纪中旬，Milligan等就尝试过利用X-射线对灌入细颗粒铅的方式来对土体内部的剪切变形进行观测。
诚然，这在当时是一次突破性的尝试，但细颗粒铅的物理属性与其埋设周边的土体颗粒有较大的差异，这种离散的、不连续的实验方法所观测到的结果的代表性难以保障；在细颗粒铅灌入过程中在土体内部的传感器本身也会对土体自然变化造成不可忽视的干扰。
上世纪70年代，随着CT、MRI技术的兴起，此类无损观测技术也被运用到岩土力学的室内模型试验当中[5]，但模型尺寸以及制作成本上的多种限制，阻碍了此技术在力学试验中的广泛应用。
时间过渡到80年代，透明土试验技术作为一种能够同时满足土体内部可视化、无损测量、实验方法便捷的新型室内试验方式走进了科研人员的视线中。
2 透明土的基本原理与配制2.1基本原理当光线照射在物体上时，由于光的散射以及反射现象，光线在通过物体后光强减弱的同时，其本身的运动轨迹也会发生一定的偏移；一部分的光因为反射而朝向其他方向运动，其光线强度以及运动轨迹取决于物体本身的粗糙程度、折射率和光线的入射角度；而另一部分光则发生折射进入物体内部，这则是由物体本身的折射率决定的。
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图 4 管涌发生过程中 PFC 试样宏观表现 Fig. 4 Phenomenon of PFC samples during piping
图 5 管涌发生过程中 PFC 试样孔隙率和流速变化曲线 Fig. 5 Curve of void ratio and flow rate vs time during piping
1 前言
管涌破坏的发生和由之而起的灾害防治是一个涉 及各学科各领域的综合性很强的问题。近年来 ,许多 学者对管涌的发生做了很多研究 。纵观国内外管涌研 究现状 ,管涌现象的机理研究在向理论上的解析公式 研究 、室内模型试验研究和基于散体颗粒流理论的细 观数值模拟研究等几个方面发展 。已有的总水头方法 和临界水力梯度等经典公式已经不能全面的解释管涌 现象产生与发展的全过程 ;随机模型和地下水井流模 型很好地从宏观上描述了管涌发生的某一种因素和过 程 ,但并不能对其产生和发展的过程做全面的解释 ;有 限元数值模拟方法是目前广泛采用的数值方法 ,但主 要局限在模拟渗流的范围内 ,将渗流与土割裂开来 ,不 能考虑土体和渗流的相互作用[1] 。
PFC 模拟的过程中可以看到细颗粒在水流作用下 沿着粗颗粒的间隙向着压力小的方向流动 ,从而在试 样中产生了不均匀的孔隙 ,由于孔隙的产生 ,水的流速 在试样内的分布也出现了不均匀性 ,因为颗粒的移动 速度同颗粒直径的三次方成正比 ,因此这种局部的不 均匀流速对细小颗粒的影响要大于直径较大的颗粒 。 细颗粒的移动速度明显大于粗颗粒的移动速度 ,从而 加剧了孔隙的增大和连通 ,最终形成了管涌的通道 。 由于通道的形成使试样的压力差减小 ,从而在一定程
试样尺寸 颗粒数目
W ×H(mm)
粒径 (mm)
颗粒密度 摩擦系数Π 孔隙比 (kgΠm3) 泊松比
200 ×150
6 701 012～210 2 650
015Π013
0135
剪切模量 流体密度 粘滞系数 流体网格
计算时步 ( s)
( Pa)
( kgΠm3 )
( Pa. s) 尺寸 (mm) DEM
本文通过高放大倍数的数码成像设备对管涌的室 内模型试验进行全程的跟踪观察 ,对管涌室内模型试 验前后的土体和流体参数的对比 ,探索了管涌现象的 规律 ,为 PFC2D 的数值模拟试验提供可供参考的土体 细观上的参数和数值模拟的依据 。
收稿日期 : 2006209228 ; 修订日期 : 2007205230 基金项目 : 国家自然科学基金项目资助 作者简介 : 张刚 (19772) ,男 ,博士 ,从事土体细观力学模拟和土
图 3 颗粒流失过程 Fig. 3 The removal process of particles
表 1 典型试样的试验前后参数对比 Table 1 Parameters comparison before and after model test
试样
密实度 孔隙率 试验前 试验后
流失量
Dr n D60 (mm) \ CU \ CC D60 (mm) \ CU \ CC 临界水头 ( %)
通过对 PFC 试样的试验前后比较 ,将 PFC 试样前 后的粒径变化 、流失量 、孔隙率等进行比较 。将表 3 和 表 1 比较可以看出 , PFC 数值模拟试验的结果和室内 模型试验的结果一致 。
管涌发生发展过程中由于颗粒的流失 ,管涌通道 中的孔隙率肯定会随之发生变化 。图 4 记录了管涌发 生全过程中的这种变化 。根据孔隙率变化曲线 (图 5 左) 斜率对比 ,管涌通道的孔隙率增大的速率比试样平 均孔隙率变化的斜率要大 ,这一点在宏观上表现就是 试样在管涌通道上的小颗粒被冲走 。在水力梯度 i = 013 时 ,颗粒的涌出数量和速度显著增大 ,压力不再增 加 ,因此可认为试样的临界水力梯度约为 013 。在达 到临界水力梯度以后 ,颗粒上涌 ,颗粒之间产生横向裂 隙 ,骨架颗粒调整位置 ,但是很少涌出 。这个模拟规律 同观察到的宏观试验现象一致 ,但是由于目前的试验 量测水平限制 ,不能够实现细观参数的定量分析和管 涌过程中土体内部管涌通道的量测 。另一方面 ,管涌 过程中的土体一系列参数变化的最根本原因就是土颗 粒的流失 。因此 ,如果保证了颗粒流失量的可比性 ,其
2007 年第 6 期
水文地质工程地质
· 8 3 ·
堤坝管涌的室内试验与颗粒流细观模拟研究
张 刚1 ,周 健2 ,姚志雄2 (11 现代建筑设计集团申元岩土工程有限公司 ,上海 200011 ; 21 同济大学地下建筑与工程系 ,上海 200092)
摘要 : 本文对水流垂直方向的堤坝管涌现象分别进行了室内模型模拟和颗粒流模拟实验 。在室内模型试验模拟中采用 先进的数码成像跟踪设备在细观的尺度上对土样在管涌发生发展的全过程进行了观察和记录 ,为颗粒流细观模拟提供 了必要的细观参数及宏观依据 。提出的二维孔隙率与三维孔隙率转换的关系公式很好的将室内模型试验的孔隙率同颗 粒流数值模拟结合 ,运用颗粒流程序采用固液耦合的分析模型对管涌现象作进一步的数值模拟分析 。根据模拟结果 ,分 析了管涌产生 、发展在颗粒细观尺度的原因 ,对管涌产生发展中的试样细观变化规律及流速的变化规律进行了分析 。这 些结果为 PFC2D在渗流和渗透破坏等方面的深入研究应用提供了一定的实用依据 ,同时也为在细观尺度上解释和分析管 涌现象提供了一条新的途径 。 关键词 : 颗粒流理论 ; 管涌 ; 细观模拟 ; 模型试验 ; 孔隙率转换 中图分类号 : TV543 + 16 ;P642 文献标识码 : A 文章编号 : 100023665 (2007) 0620083204
试验对多种级配和压力情况等进行了模拟 ,现选 出两组典型试验数据进行分析和说明 。图 2 是试验前 后试样的颗分曲线 ,及求得的流失量[3] 。在管涌发生 的过程中主要是细颗粒流失 ,从颗分曲线中粗颗粒部 分的曲线形状并没有改变 ,主要是细颗粒流失 ,本组试 验的流失量在 5 %～10 %之间 。从不同位置的颗分曲 线形状上可以看出 ,试样上部由于颗粒的流失路径较 短 ,流失量要比下部土样大些 。流失颗粒的最大粒径 为 1～2mm ,试样的大颗粒没有流失 ,主要是小颗粒溢 出。
图 1 试验模型装置及示意图 Fig. 1 Diagrammatic sketch of model test device
211 固相运动方程 砂土体由一系列不连续的颗粒构成 ,可以通过离
散单元法有效的进行模拟 。在颗粒流离散元分析模型 中 ,采用圆形颗粒单元模拟颗粒介质 ,以牛顿第二定律 与力 - 位移定律为基础 ,采用显式时步循环运算规则 , 对模型进行循环计算 ,模拟颗粒的运动及其相互作 用[2] 。 212 连续方程与液相流动方程
的对照中会在孔隙率的转换上面存在一定的问题 。在
散体材料的三维孔隙率与二维孔隙率转化之间一直存
在着难题 ,根据目前的研究也停留在等粒径颗粒研究
的水平上[4 ,5] 。本文对这方面的研究也做了一定的探
索 ,在研究等粒径颗粒二维孔隙率和三维孔隙率转化
中相差最大的三维六角晶格结构 ( HCP) 和等粒径颗粒
对饱和砂两相体可采用连续方程 ,内部孔隙水的 流动采用 Navier2Stokes 方程完整的描述 。水在孔隙介 质中的流动速度与水力梯度的关系在雷诺数在 1～10
· 8 4 ·
水文地质工程地质
2007 年第 6 期
图 2 模型试验前后沿深度颗分曲线及颗粒的流失量 Fig. 2 Particles loss and quality sieve analysis graphs
CFD
210e6
1 000
1e23
10 ×10 210e26 210e23
它受流失量影响的参数的变化规律也应该与实际情况 的变化规律一致[6] 。
表 3 PFC 试样的试验前后参数对比 Table 3 Parameters comparison of PFC model test
试验前
试验后
D60 3161
二维孔隙率和三维孔隙率转化中相差最小的正中心六
面体结构 ( FCC) 的两种排列结构后 ,经过密实度的修
正 ,提出了等粒径颗粒三维孔隙率向二维孔隙率转化
的公式 :
ε3 d = 1 - ξ(1 - ε2 d ) 3Π2
(ε2 d ∈[ 0 ,1 ] ,ε3 d ∈[ 01143 ,1 ])
(1)
其中 :
CU 1179
CC 0193
D60 3148
CU 3131
孔隙率 n
流失颗粒最大直径 最大流量 Q
试验前 试验后
(mm)
( ×0101m3·s - 1)
CC 1158 流失量 ( %)
0135 0141
018
1107
1016
413 模拟过程 通过在上下模型的表面施加压力差产生向上压力
流 。具体的方法是 :在模型的底部边界施加一个逐渐 增加的压力边界条件 ,直至达到临界水力梯度或更大 。 在这过程中始终保持上边界的压力为零 。在增加每一 个水力梯度后 ,流体和固相颗粒均达到稳定状态后再 施加下一个增量 ,每一步采用足够小的增量 。固相颗 粒的指标特性通过沿轴向的一系列测量圈的平均值反 映 。流体的特性指标通过与某一测量球相对应位置的 有限体积网格中相关指标的值平均求得 。 414 数值模拟结果 41411 试样细观变化规律及管涌产生的原因
2007 年第 6 期
水文地质工程地质
· 8 5 ·
到 2mm ,为了与室内模型试验的结果进行比较 ,颗粒的 数目由孔隙比 e 控制 ,通过 PFC 内置的 FISH 语言编 程 ,基本按照室内试验的级配生成数值模拟试样[4] ,具 体参数见表 2 。
表 2 颗粒流模型细观参数表 Table 2 Mesomechanical parameters of PFC sample
at the deferent positon of samples before and after model test