鄱阳湖区某典型圩堤堤基管涌发展过程试验研究

堤基管涌是造成鄱阳湖区圩堤险情乃至溃决的最主要原因之一,从机理上研究并揭示鄱阳湖区圩堤堤基管涌的致灾机制,对于应对管涌险情、科学开展应急抢险具有重要意义。基于鄱阳湖区某圩堤典型堤基结构,采用堤基原型土和自行设计制作的模型槽开展管涌物理模型试验,完整模拟了原型多层复杂堤基管涌发生、发展及致溃的全过程。结合试验现象对管涌发生和发展过程中的水力条件、堤基破坏机理和土体颗粒侵蚀速度等展开分析。研究结果表明,鄱阳湖区圩堤堤基结构中管涌破坏集中于下伏砂层,在渗透压的作用下上覆弱透水层被渗流击穿,于砂层与上覆层的接触面形成管涌通道后加速土体颗粒的侵蚀,最终导致堤基溃决;鄱阳湖区某典型圩堤堤基中夹于黏土层中的壤土层无法起到强弱透水层间过渡层的作用,土体颗粒侵蚀规律与无壤土过渡层的堤基结构相类似,形成表面管涌出口和堤基开裂的土体颗粒累计侵蚀量增长速率均低于0.1 g/s;该圩堤发生管涌的堤基平均总体临界水平坡降约为0.1。

二元堤基结构堤防管涌机理模型试验

为了科学解释二元堤基结构堤防管涌致灾机制并揭示其形成、演化过程和致溃规律,在考虑堤基强、弱透水层之间壤土过渡层作用的基础上,通过室内模型试验完整地模拟了二元堤基管涌从单个泡泉发展至管涌群并最终造成堤基塌陷溃决的全过程。试验结果表明:上部黏土及壤土层在渗流的顶托作用下向上隆起并在堤基内部产生层间水平渗漏通道,导致发生潜层砂沸,最终向上发展为表面砂沸的渗透破坏;二元堤基结构管涌发展可分为裂缝发展、潜层破坏、上覆层破坏、管涌通道上溯、堤基破坏和堤基溃决6个发展阶段;表面砂沸由潜层砂沸发展而来,潜层砂沸是由于土层内竖向坡降所引起的渗流力大于上部土体浮容重时造成的土层结构破坏所致,临界竖向坡降处于0.9~1之间;壤土层的存在会加快堤后自由边界区域管涌群的发展速度,但可以延缓管涌通道的上溯,对堤基具有保护作用。

河道堤防治理施工中特殊基础处理方法

河道堤防治理过程中,由于河道治理比较长,地形地质情况复杂多变,加上人为环境因素影响,导致施工过程中堤身基础会遇到深水坑、软基础、洪水冲刷段和粉砂土基础等特殊河段.且河道常年过水流量大,施工处理难度大,开挖和填筑工程量增幅较大.为了工程顺利开展,尽快发挥工程效益,减少过大设计调整带来投资增加影响,结合工程前期审批方案和投资情况,同时便于现场施工处理,对不同的河段实际情况通过采取不同的工程措施,达到既能满足工程安全要求,又能符合设计理念.

意大利某项目深水直立堤护肩结构设计

波浪作用于直墙上会造成水体的强烈紊动,从而对直立堤的明基床及其前面的海床产生淘刷作用,尤其对于处在深水区、受大浪作用同时产生立波的情况下,破坏作用更明显。为避免波浪的运动对直墙结构带来严重的后果,直立堤前设置稳固的防冲刷设施是非常必要的。文中所述意大利某项目的深水明基床直立堤,通过中外不同规范、手册对抛石基床护面块体重量进行计算对比,并依次采用物模试验进行验证,提出该项目的深水直立堤在大浪作用下抛石基床护面重量采用预制混凝土护肩块体设计较为合适,本文分析成果可为类似工程项目提供一定的参考。

单层和双层堤基管涌砂槽模型试验研究

针对典型的单层和双层堤基进行了管涌机理的砂槽模型试验研究,观察并分析了管涌发生、发展并导致溃堤的机理和过程。试验结果表明,单层和双层堤基管涌发展的机理、通道形状和位置均相似,管涌破坏均发生在透水层的顶面,低于临界水头时,管涌仅在一定范围内发展并最终停止,管涌通道不会与江(河)水连通,一旦超过临界水头,管涌通道持续发展并最终与江(河)水连通,连通管流的强力冲刷最终导致堤基整体破坏和溃堤。但是,单层和双层堤基管涌破坏的水平平均临界水力比降不同,且前者大于后者,对试验用粉细砂,前者为0·278,后者为0·214。

双层堤基管涌动态发展的有限元模拟

提出了模拟堤基管涌动态发展的概化模型,编制了相应的计算程序,用砂槽模型试验结果进行了验证,并对双层堤基管涌发展过程中的渗流场特点进行了计算分析,对有限元计算中的参数取值进行了探讨。

长江堤防地基类型与防渗方案

介绍了长江堤防地基的结构类型和渗流特点 ,论述了各种堤基渗控措施 (如垂直防渗、水平防渗、盖重压渗及反滤导渗措施 )

双层堤基中悬挂式防渗墙渗控效果的试验研究

通过砂槽模型试验,研究了双层堤基设置悬挂式防渗墙情况下管涌发展并导致溃堤的过程和机理。试验结果表明,悬挂式防渗墙可以有效提高堤基管涌破坏的水平平均临界水力比降,降低管涌的危害程度,使堤基整体抵抗管涌破坏的能力显著提高,且布置在背水侧较临水侧更加有效。同时给出了悬挂式防渗墙的设计方法。

双层堤基管涌溃堤砂槽模型试验及渗流场特点研究

对双层堤基管涌溃堤进行了砂槽模型试验,对模型试验的流量和时间比尺进行了分析和讨论。通过有限元数值模拟,研究了管涌溃堤过程中渗流场变化的特点,分析并解释了砂槽模型试验中出现的难以理解的现象,对管涌发展机理和渗流场变化特点有了更深入的认识。

双层堤基管涌发生发展的试验模拟与分析

利用室内试验模拟了双层堤基管涌的发生及发展过程。通过分析水头分布、流量、以及出砂量等的变化,将破坏的发生及发展归结为4个阶段:上覆层破坏前的稳定阶段、上覆层破坏阶段、上覆层破坏后的稳定阶段、整体破坏阶段。研究发现,在上覆层破坏前,上覆层承担了大部分的水头差,当上覆层破坏后,这部分水头差转由下伏砂层承担,造成下伏层水力梯度的升高,如果水力梯度超过了下伏层的临界水力梯度,则下伏层发生渗透破坏。一次渗透破坏发生后,降下上游水头,重复增加水头的过程,模拟地层在多次渗透破坏作用下,地层抵抗渗透破坏能力的变化。发现一旦渗透破坏发生后,地层再次抵御渗透破坏的能力急剧下降,多次破坏后,试样内形成贯穿上、下游的集中渗漏通道,且通道规模随着试验次数的增加而增长,若不及时采取有效措施,当通道规模发展到一定程度后,通道上部会发生塌落而使堤坝产生溃口,进而使堤坝溃决。

双层堤基管涌破坏过程中上覆层渗透破坏发生发展的试验与分析

利用室内试验模拟了刚性盖板下双层堤基渗透破坏的过程,研究了堤基发生管涌破坏后对上覆黏土层的影响。通过肉眼观察,照相机辅助拍摄及试验过程中测压管水位,流量和出砂量等的变化,分析了管涌过程中刚性盖板下黏土层破坏的发生及发展过程。堤基发生管涌破坏后,砂层上部细颗粒逐渐流失,形成强渗流通道并逐步向上游发展。渗流通道与上层黏土之间形成脱空,黏土层发生轻微沉降变形,在水流作用下产生不均匀变形导致黏土层中裂纹的产生并在水力劈裂作用下裂纹逐渐变成裂缝并越来越大,水流通过裂缝在塌陷黏土与刚性盖板之间急速流动,产生冲刷,破坏范围随管涌的发生向上游发展。黏土层的破坏促进了管涌的发生,而管涌通道不断向上游发展也加速了黏土层的破坏,两种过程相互作用,相互影响。

三层堤基管涌砂槽模型试验研究

对由弱透水表土层、细砂层和强透水砂砾层组成的三层堤基进行了管涌发展的砂槽模型试验,观察并分析了管涌发生、发展并导致溃堤的机理和过程。试验结果表明,强透水砂砾层的存在将使堤基管涌破坏的水平平均临界比降降低,当细砂层相对于砂砾层的厚度较薄时这种影响会很大,试验得到的最小值为0·078,而且堤基管涌发展的机理与双层堤基有很大区别。

荆南长江干堤堤基防渗加固措施

讨论荆南长江干堤堤身的土质状况,对堤基土层结构进行分类,通过渗流计算提出荆南长江干堤典型断面堤基防渗加固处理措施。针对荆南长江干堤堤基土层结构的特点,提出堤基防渗加固处理的原则:堤防防渗加固方案的选择必须顾及堤基土体的物理力学性质,以及堤基周围的人文及地理环境要素,同时应考虑到用于堤防加固处理的经费,通过多种方案的比较,找出其中最合理的方案;当透水层上的覆盖层较薄且透水层较厚时,应采用盖重的方法进行堤基防渗处理,必要时增加排渗井或减压沟,以增强堤基的防渗效果;当透水层较薄且透水层下为基岩或有较厚的相对弱透水层时,可采用全封闭式防渗墙或半封闭式防渗墙进行堤基防渗;若透水层特别薄且透水层的颗粒较细时可采用土工膜进行堤基防渗,以节约堤基防渗的成本。

关于双层堤基上盖重设计准则的建议

按照我国现行堤防设计规范的规定,在进行盖重设计时往往会遇到一些困惑的问题,如,计算得到的盖重宽度有时会很大,可达数百米,如何定夺?盖重首末端取相同的安全系数是否科学和必要?盖重厚度的计算公式是否合理等?对这些问题需要通过研究给出评价或具体的规定,以提高规范的科学性和可操作性,便于设计人员采用。通过对中国、美国、荷兰、德国、日本有关双层堤基上盖重设计准则的比较和分析,对安全系数的计算和取值、盖重宽度和厚度的确定等问题进行了讨论,结合已有的理论和试验研究成果,对双层堤基上盖重设计的准则提出了具体建议。

双层堤基管涌模型试验尺寸效应的数值模拟

借助双层堤基砂槽模型试验的成果,建立双层堤基管涌动态破坏过程的数学模型和模拟方法。采用数值仿真方法研究双层堤基管涌模型试验的模型尺寸效应的规律和机制,提出双层堤基管涌小尺寸的模型试验的修正方法。研究结果表明:(1)采用概化的数学模型可以很好地模拟堤基管涌模型试验结果的尺寸效应影响及管涌动态发展过程,计算结果和试验结果吻合较好,同时得到不同模型砂样内部的渗流场分布和一些难以观测到的数据。(2)模型尺寸对堤基管涌的临界水头、发展过程有较大影响,临界水头随模型宽度和深度的增加而减小,但减小的幅度逐渐减小。(3)通过理论和数值模拟分析,现有模型试验结果受模型尺寸影响较大,对现有模型进行改进,模型宽度增大为堤身长度(试验模型槽管涌口至上游临水面的距离为1.4 m)的1.7倍,模型深度增大为堤身长度的0.85倍。改进后管涌破坏区的影响半径约为堤身长度的0.85倍。

单层堤基管涌侵蚀过程的模型试验及数值分析

利用砂槽模型试验研究单层堤基的管涌侵蚀破坏过程,并建立单层堤基管涌侵蚀破坏发展过程的概化数学模型和数值模拟方法。结合模型试验结果和数值模拟结果,分析单层堤基管涌侵蚀破坏的机理及侵蚀破坏过程。研究管涌局部破坏的临界比降及不同渗径长度对管涌侵蚀破坏的影响。计算结果表明:①模型试验和数值模拟结果较好地揭示单层堤基管涌侵蚀破坏过程,即当上游水头低于临界水头时,管涌存在发生、发展和停止的过程。当上游水头大于临界水头时,管涌将持续发展并最终导致溃堤破坏,计算结果和试验结果吻合较好;②得到砂样内部的渗流场分布和一些难以观测到的数据,较好地解释模型试验的一些现象,提高对管涌溃堤机理和过程的认识;③单层堤基管涌破坏的临界水头和临界水平平均比降与砂层局部破坏的临界水平比降近似呈线性关系;④单层堤基管涌破坏的临界水平平均比降随着渗径长度的增大而增大,并且大体上呈线性关系。

不透水边界条件下双层堤基上盖重的渗流计算方法

盖重是堤防工程中最常用也是非常有效的管涌除险措施,对背水侧堤基透水层端部为已知水头边界的情况,已有许多研究成果给出了盖重渗流计算的方法。但是,实际工程中也会碰到背水侧堤基透水层端部为不透水边界的情况,对这种情况下的盖重渗流计算方法尚未见到有研究成果发表。为此,本文针对不透水边界条件下的有限远和无限远双层堤基,推导了弱透水和透水盖重的渗流计算公式,盖重的渗透性可以是任意的,盖重首末端可以取不同的安全系数,同时对影响盖重宽度和厚度的参数进行了讨论,对安全系数的取值以及盖重材料的选用提出了建议。

三层堤基中细砂层厚度对管涌影响的试验研究

对由弱透水黏土层、细砂层和强透水砂砾层组成的三层堤基进行了管涌发展的砂槽模型试验,为了便于观察分析,细砂层由各种颜色的细彩砂依次排列在砂砾石层上表面,通过改变彩砂层的厚度分析研究了不同细砂层厚度对管涌发生、发展机制及过程的影响。试验结果表明,三层堤基细砂层厚度的不同使管涌发生的临界水力梯度、涌砂量和通道发展的速度不同,与双层堤基有很大区别。临界水力梯度是由多种元素决定的,包括破坏土体的性质及其整体性等;细砂层的存在使流量在渗透变形初期对涌砂不敏感;在试验中发生的相同水位下多次间歇性涌砂,其原因一方面是颗粒在运动过程中发生堵塞,另一方面是通道边界的土体失去支撑发生应力释放,抵抗力随着时间逐渐减小。

基于球状井非稳定井流理论的管涌流场分布研究

渗流场分布确定是管涌研究的基础与关键。双层堤基管涌时土体破坏范围仅局限于管涌口周围,且在管涌口形成后土体中的渗流场会经历一个动态的变化过程。基于此,将管涌口概化为半球状的涌水井,结合非稳态渗流方程和叠加原理,对定水头条件下双层堤基管涌口形成后地层中的流场分布进行了研究,得到了管涌口形成以后的渗流场分布。通过算例,研究了管涌口形成以后堤基内水头以及水力梯度随时间的变化规律;通过与稳定条件下完整井流的对比,得到了球状井与完整井条件下水头与水力梯度的分布规律。研究表明:管涌口形成时的非稳定渗流是造成细砂突涌的重要原因之一;利用稳定完整井条件下的渗流场分布进行管涌判别时,会明显夸大管涌的发生范围。

双层堤基上覆层对堤基渗透破坏影响的试验

根据上覆层与下伏砂层的协调变形情况,将上覆层概化为完全不变形的刚性上覆层以及与下伏砂层始终协调变形的柔性上覆层,并利用室内试验对这2种极端情况进行模拟。通过对试验过程中的土体破坏情况、渗透流量、涌砂粒径以及破坏后土体的颗粒组成等方面进行分析,发现具有刚性上覆层的双层堤基在接触面上易形成空洞,而柔性上覆层较刚性上覆层具有更强的抗渗透破坏能力;同时,具有刚性上覆层的堤基发生渗透破坏时粗颗粒更易流失。对渗透破坏过程中的渗流场进行数值模拟,对比了不同渗透破坏阶段的水力梯度分析情况,简要分析造成2组试验差异的原因所在。研究结果表明,使上覆层与下伏砂层保持协调变形是控制渗透破坏发展的有效方法,建议在堤基建设时尽量增加上覆层柔性,使上覆层与下部土体有协调变形的能力。