平原河网区水力坡降对城市内涝的影响分析

嘉兴市位于太湖流域下游的平原河网城市,城区内地面标高整体较低。嘉兴市雨水管渠的排出口一般淹没在河道水面以下,排水条件较为不利。因此,合理的水力坡降对减小城市的内涝风险十分重要。综合水面率、河网密度及雨水管渠入河前的流动距离等因素,选取能够代表嘉兴市总体排水特点的典型排水分区,借助MIKE水力模型软件,研究不同河道最高控制水位对应的内涝风险情况,分析出当水力坡降大于20cm时,能基本保障嘉兴市平原河网区在设计重现期下的排水安全。研究结果可为城市水利调度和开发建设中地面标高的控制提供参考和指导。

变荷载下考虑起始水力坡降与连续排水边界的固结解

采用连续排水边界的必要性及软黏土中水的渗流存在着起始水力坡降(i0)的现象已逐渐被认识,但变荷载下同时考虑连续排水边界条件和起始水力坡降的一维固结解析解还鲜见报道。针对外荷载随时间逐渐增加的实际情况,建立变荷载下同时考虑连续排水边界和起始水力坡降的固结模型。采用傅里叶变换及拉普拉斯变换获得模型的近似解析解,利用该解答分析动边界移动规律、超静孔隙水压力随时间的消散规律及平均固结度的增长规律。结果表明:在加载速率不变的情况下,起始水力坡降下排水面透水情况对固结性状的影响与其在达西定律下相同,透水情况越好,孔压消散速率越快;透水情况越差,超静孔隙水压力消散速度越慢。与完全透水边界条件下相比,连续排水条件下起始水力坡降i0对固结性状影响无明显改变,i0越大,移动边界到达土层底部的时间越长,固结完成时土中残留的超静孔压越大,按孔压定义的平均固结度越小;i0值越小,移动边界到达土层底部的时间越短,固结完成时土中残留的超静孔压越小,按孔压定义的平均固结度越大。在起始水力坡降和边界排水条件不变的情况下,随着加载时间的增加,超静孔隙水压力峰值越小,超静孔隙水压力达到峰值的时间越长,但加载时间对超静孔压残留值及按孔压定义的最终平均固结度无影响。

现代黄河水下三角洲粉土的临界水力坡降探讨

通过室内试验 ,测定不同密实度粉土的临界水力坡降。由试验结果可以看出 ,粉土的临界水力坡降与一般砂性土有着较大差异 ,一般砂性土临界水力坡降icr=(ρ- ρw)/ρw ,变化范围在0.8～1.5之间 ,而现代黄河水下三角洲粉土的临界水力坡降为9.5～16.5。同时对土体进行受力分析 ,考虑颗粒间的凝聚力 ,对以上结果产生的机理进行分析 。

考虑起始水力坡降的软土大变形非线性固结分析

软黏土中渗流存在起始水力坡降的现象已逐渐为人们所认识,但变荷载下考虑起始坡降的软土大变形非线性固结理论还很鲜见。考虑土中渗流存在的起始水力坡降及非线性压缩渗透特性,在拉格朗日坐标系中建立变荷载下以超静孔压为变量的软土大变形非线性固结模型并给出其有限差分解。在此基础上,通过与达西定律下大变形固结半解析解对比分析,验证了解的可靠性。最后着重分析起始水力坡降对软土大、小变形固结性状影响的差异。结果表明,无论采用小变形假定还是采用大变形假定,考虑起始坡降后超静孔压的消散速率及最终沉降量均比达西定律下小。大、小变形假定下起始坡降均会引起超静孔压不能完全消散的现象,且大变形假定下超静孔压残留值要小于其小变形假定下的残留值,致使大变形假定下土层最终沉降量要比其小变形假定下大。起始水力坡降和几何变形假定均会影响固结性状,且起始坡降值无疑影响更明显,故在软黏土中渗流存在的起始水力坡降在固结计算中不容忽视。

考虑起始水力坡降时粘性土渗透系数的确定

基于粘性土的达西定律和水流连续性原则,建立了考虑起始水力坡降时粘性土的渗透系数公式和起始水头计算公式,并通过渗透系数的极差、反算水头和实测水头的最大偏差和均方差来评价所提出的公式和规程公式的误差。实例分析结果表明:考虑起始水力坡降后,采用所提出的公式得到的渗透系数大于采用规程公式得到的渗透系数值;所得到的渗透系数本身的极差、反算水头与实测水头的最大偏差以及均方差均小于规程中不考虑起始水力坡降时得到的相应值;考虑起始水力坡降后的粘性土的渗透系数更能反映粘性土的实际渗透情况。

砂性土细颗粒起动临界水力坡降计算方法

地下水渗流作用下内部不稳定砂性土将发生潜蚀现象,潜蚀作用引起的土体渗透破坏会对土工建筑物或地基造成不良影响。考虑土体有效应力和细颗粒应力折减,建立渗流场中细颗粒受力模型,根据极限受力平衡状态得到潜蚀过程中砂性土细颗粒起动临界水力坡降计算公式,并通过DEM-CFD耦合方法以及现有试验数据进行验证。结果表明:砂性土中细颗粒以滚动方式起动,起动临界水力坡降受渗流水流、土体特性以及颗粒自身特性共同影响;砂性土表层细颗粒起动临界水力坡降受埋深影响较大,埋深1 cm的细颗粒最高、最低起动临界水力坡降相差10.169%,埋深10 cm时差异减少至1.061%。该计算方法与数值模拟和渗流试验结果的最大标准误差分别为6.038%、11.211%,可以较为准确地预测砂性土细颗粒起动临界水力坡降。

考虑起始水力坡降的软黏土流变固结解析解

软黏土中渗流存在的起始水力坡降会对固结性状有重要影响已逐渐被认识。但能同时考虑起始水力坡降及软黏土流变特性的固结理论仍鲜见报道,对其解析解的研究更为罕见。针对现有理论的不足,考虑软黏土中渗流存在的起始水力坡降及黏性土的流变特性,基于太沙基1维固结理论建立其控制方程,应用拉普拉斯变换获得其解析解。目前存在的考虑起始水力坡降的线性固结解析解和达西定律下考虑流变模型的固结解析解均是本文解的特例,且本文所得解析解与相应差分解的计算结果十分相近。基于该解析解着重分析了起始水力坡降和不同流变模型对固结性状的影响。结果表明:考虑软黏土流变特性后,起始水力坡降(i0)、土层厚度(H)与外荷载(q0)的比值(R)对固结性状的影响并未发生明显改变;R值越大,移动边界到达土层底面所需时间越长,相同时刻土中残留的超静孔压值越大,土层平均固结度越小。考虑流变特性后,移动边界到达土层底面的条件发生改变。如果流变模型参数取值相同,不同流变模型下软黏土固结初期超静孔压消散曲线基本重合,移动边界随时间的下移曲线亦基本重合;固结后期超静孔压消散曲线虽略有差异,但其对计算结果影响甚微,可忽略。

考虑起始水力坡降的软土一维非线性固结分析

建立了考虑起始水力坡降的软土非线性固结控制方程,利用有限差分法求取其数值解答,通过与达西定律下的解析解相对比验证了数值计算的可靠性.在此基础上,分析了不同参数对固结性状的影响,研究结果表明:起始水力坡降越大,渗流前锋至土层底面所需要的时间越长,超静孔隙水压力的消散速率越慢;cc/ck值越大,渗流前锋移动速率越慢,土层的固结速率也就越慢;渗流前锋的移动速率随着荷载的增大及土层厚度的减薄而加快;cc/ck=0.5时,土层固结速率随着荷载的增大、土层减薄而逐渐加快;cc/ck=1.5时,土层固结速率随着荷载的增大、土层减薄而逐渐减慢.

考虑起始水力坡降的天然非均质地基固结分析

实际工程中通常为未经处理的天然非均质地基。低水力坡降下黏性土中渗流存在起始水力坡降的现象也逐渐被认可,但能考虑起始水力坡降的非均质地基固结模型鲜见报道。基于具有起始水力坡降的渗流模型,考虑实际中的变荷载,对压缩模量和渗透系数随深度变化的非均质地基固结问题展开研究。通过压缩模量随深度增加及渗透系数随深度减小考虑天然地基的非均质性,进而建立了单层非均质地基一维固结模型。分析了起始水力坡降i_0,非均质地基参数a、x、m和p对非均质地基固结特性的影响。结果表明:考虑起始水力坡降后非均质地基中孔压消散速率变慢,地基沉降以及固结速率随之降低;固结速率与参数a、x成正比,而地基的最终沉降量与之成反比;参数m越大,p越小,固结速率越快,但渗透系数仅改变地基的沉降速率,不会影响非均质土层的最终沉降量。

黏性土地基流土破坏的临界水力坡降研究

针对现行临界水力坡降计算公式不适用于求解黏性土临界水力坡降的情况,假定黏性土地基发生渗透破坏模式为圆柱形或倒圆台形,在太沙基临界水力坡降计算公式的基础上,分别推导了两种破坏模式下考虑土体抗剪强度影响的临界水力坡降解析式。此外,采用自制的渗透破坏仪研究了砂壤土、黄土在不同工况下发生渗透破坏时的临界水力坡降,结果表明:临界水力坡降随土层厚度、破坏半径的增大而减小,且试验结果与其相对应的公式计算结果最大误差不超过16%。

渗透力作用下粘性土临界水力坡降变化规律研究

对单向渗透力引起的渗透固结机理进行了分析,通过采用不同干重度在不同固结度下的渗透破坏试验,得到了临界水力坡降随固结度、干重度二者变化的关系式,该结论对水库蓄水位及渠道水位的确定提供了参考依据。

土石坝加固混凝土防渗墙底水力坡降分析

本文总结了江西省主要应用的几种土石坝加固防渗方案,结合工程实例,利用有限元软件分析了几种防渗方案下防渗墙底部的水力坡降.分析结果表明:在坝前水头相等的情况下,墙前布置"压浆板"的防渗方案可使防渗墙底水力坡降最小,从安全的角度来讲,此方案最优.

确定输油管道进出站压力的水力坡降线平移方法

对于具有多泵(减压)站的输油管道,在给定输送油品状况和热力状况的条件下,各管段的水力坡降线随之确定,管道的动力费用仅与各站的增压或减压值有关。为确定全线各站的进、出站压力,建立以动力费用作为目标函数,以管道的承压能力和允许最小压力作为约束条件的优化模型。而后将其转化为各站相对独立的以进站压力作为目标函数的优化模型,并提出了求解该模型的水力坡降线平移方法。该方法计算简便,易于编程,特别适合于成品油管道,并已应用于兰成渝成品油管道的运行调度系统。

低压管道灌溉中的经济水力坡降

根据年运行费用最小法原理 ,探讨了井灌区低压管道输水灌溉中管道经济水力坡降的计算及最优管径的选择方法 ,进而分析了管材价格、农用电价、年运行小时数对管径选择的影响能力。

关于坡脚水力坡降奇异性的研究

根据现行计算方法 ,堤坝下游坡脚处渗流水力坡降具有奇异性 ,这给工程设计中判别渗透安全性带来困难 ,同时与实际情况也不符合 .本文通过引入坡面与地面的局部连接段对计算区域进行光滑处理 ,消除了问题的奇异性质 ,进而用有限元数值方法研究了引入连接段之后坡脚水力坡降的分布 ,总结出不同坡比情况连接段长度 (或接段半径 )对最大水力坡降的影响 .建议在对堤坝进行渗透稳定评判时 ,按实际情况考虑连接段长度 ,可避免目前计算方法在坡脚水力坡降为无穷大带来的困难 .关于连接段长度的选取 ,认为与土质有关 ,可到实地搜集有关数据 。

变荷载下考虑半透水边界和起始水力坡降的软土一维固结解析解

在软土地基顶面铺设的不可压缩垫层对边界排水性能具有一定影响,同时软黏土中渗流偏离Darcy定律的现象对超静孔隙水压力消散的影响已逐渐被人们所熟知。但同时考虑不可压缩垫层与地基土体接触面处形成的半透水边界和起始水力坡降的固结理论却少有报道。建立了变荷载下同时考虑半透水边界和起始水力坡降的一维固结模型,采用特征值法、Laplace变换对所建立的固结模型开展解析求解,分析了固结模型在不同边界条件、起始水力坡降以及加载速率下的固结特性。结果表明:考虑起始水力坡降后,半透水界面参数φ(不可压缩层渗透系数和黏土层厚度之积与黏土层渗透系数和不可压缩层厚度之积的比值,其值大小代表排水面透水能力强弱)值越小,孔压消散速率越慢,固结完成所需时间越长;φ值越大,孔压消散速率越快,固结完成时间越短。半透水边界条件下起始水力坡降的无量纲变量R(起始水力坡降、水的重度与土层厚度三者之积除以外荷载)值越大,渗流前锋(移动边界)到达土层底部的时间越长,固结完成时土中超静孔压残留值越大。相同时刻下,按变形定义的土层平均固结度随R值增大而增大,但按孔压定义的土层平均固结度随R值增大而变小。加载速率对考虑起始水力坡降和半透水边界的土层固结性状具有明显影响,加载速率越慢,超静孔隙水压力峰值越小,且达到峰值所需时间越长,但加载速率对最终超静孔压残留值几乎无影响。

变边界下考虑起始水力坡降的软土固结数值解

文章引入边界处孔隙水压力随时间指数变化的变排水边界及软黏土中存在的起始水力坡降,建立单层均质土体的一维固结模型;利用有限差分方法对所建立的固结模型进行数值求解,分别获得土层超静孔压、土层固结度的数值解;利用数值解深入分析随时间指数变化的变边界及起始水力坡降对固结性状的影响。分析结果表明:当起始水力坡降的无量纲参数R相同时,变边界无量纲参数B越大(排水边界越接近于完全透水边界),移动边界下移速度越快,土中超静孔压的消散速率越快,固结完成时间越短,反之亦然;当B值相同时,R值越大,移动边界至土层底部的时间越长,相同时刻下超静孔压残留值越大,土层平均固结度越小。

雨水淹没出流平均水力坡降等参数探讨

遵循能量守恒法则及水力学基本原理,结合《室外排水设计规范》(GB 50014—2006,2011年版)等要求,通过对雨水淹没出流系统主要流程、参数进行剖析,快速求解出该系统平均水力坡降及相关重要参数,确保系统安全可靠、经济合理,供在平缓地区雨水简化设计及市政雨水规划应用等参考。

低压管道输浑水的水力坡降计算及临界流速范围的确定

在我国北方多泥沙河流灌区使用低压管道灌溉甚少,其主要原因是泥沙的淤堵,管网的配套等主要问题尚待研究解决。为此我们在黄河小北干流东雷抽黄灌区选择了600亩地作为试区。通过二年多的灌溉试验研究,管道三年的运行,得出了符合生产需要的含沙水流管道水力坡降经验公式,临界流速范围,以及管网设计的各种参数。浑水管道灌溉与渠道输水灌溉相比省地2.5％,节约水量18％以上,具有便于耕作,维修管理费用低,管理方便等优点。

水力坡降图在输油管道设计中的应用

水力坡降图借助水力学中比降的原理将输油管道的内压以斜线方式做图,直观表达管线的压力分布状况,对管线设计压力、加压站确定,运行参数分析,起到直观快捷的作用。山区敷设的管线,地势起伏,通过水力坡降图能较快判断线路上存在的翻越点,根据管线的静压状况初步确定管线的设计压力,直观了解管线运行中各点的内压状况。