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《清华大学》 2006年
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堤防的渗透变形及其发展的研究

周晓杰  
【摘要】: 渗透变形以及与渗透有关的问题是造成堤防在洪水期间险情的主要原因。研究堤基的渗透变形发展过程对于合理的评价堤防的安全性、预测渗透破坏的发生形式以及具体位置、对堤防抢险加固进行科学的指导等,都具有重要的理论和实践意义。 堤基渗透变形过程实际上是“土中水”问题转变为“水中土”问题的过程。在渗透变形发生的“集中渗流通道”区域,已经不再满足土力学达西定律,转而满足流体力学Navier-Stokes方程。本文在模型试验研究的基础上,提出了一套基于渗流-管流耦合的渗透变形发展理论体系,并用无单元计算方法实现了基于上述理论体系的渗透变形过程数值模拟。主要的研究工作和创新性成果包括以下四个方面: 1.通过模型试验研究堤基渗透变形发展的规律、机理。采用彩色砂示踪等新方法研究粘土层下砂土的运动情况;在探索悬挂式防渗墙对于抑制堤基渗透变形的作用机理的同时,讨论了防渗墙的不同位置对于其作用效果的影响。 2.以模型试验成果为基础,研究堤基渗透变形的内在影响因素。将水力学以及泥沙动力学相关理论引入渗透变形发展过程分析,建立和完善了堤基渗透变形发展理论及判断体系。 3.根据上述理论体系,首次提出了渗流与管流耦合的无单元实现方法。利用无单元法的积分网格和节点相互独立的优点,实现了计算过程中渗流域与管流域之间边界的自动实时移动;利用无单元节点删减、移动自由的特点,实现了计算过程中计算节点的局部加密。综合上述三方面的研究成果,编制了适合堤基渗透变形过程模拟的无单元法计算程序Freeseepde,并针对文中的大比例模型试验进行了数值验证。 最后选择一个长江堤防的典型断面进行渗透变形过程的数值模拟。从数值分析的角度解释了一些在渗透变形过程中常见的现象,并评价了悬挂式防渗墙对于控制渗透变形的作用效果。实际计算结果表明本文提出的渗透变形理论体系是可行和有效的。
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