管涌現(xiàn)象細觀機理的模型試驗與顆粒流數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文從細觀力學角度對管涌的形成與發(fā)展機制，進行深入研究。將先進的數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)引入管涌的室內(nèi)模型試驗，攝錄土顆粒的移動軌跡，確定形成管涌的臨界參數(shù)和識別分析管涌過程中管涌通道形成的機理。在室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，基于散體介質(zhì)顆粒流理論及其分析方法等細觀力學手段，分析滲流與土介質(zhì)的共同作用機理，深入研究管涌現(xiàn)象形成以及發(fā)展過程的細觀力學機理。利用并開發(fā)PFC2D和PFC3D計算軟件，對管涌現(xiàn)象形成與發(fā)展過程中土顆粒的移

2、動規(guī)律以及水流在土體孔隙中的過程進行細觀仿真模擬。并結(jié)合堤防工程的管涌險情實例進行分析研究，為預測和治理管涌險情提供理論支持。 在研究和分析的過程中解決了以下四個技術(shù)難題：1、利用室內(nèi)模型試驗確定形成管涌的臨界參數(shù)；2、通過室內(nèi)模型試驗準確測定試樣流失量的變化，以確定水頭壓力與顆粒移動的關(guān)系；3、管涌的形成與發(fā)展過程中的細觀數(shù)值模型的仿真模擬。如何優(yōu)化數(shù)值模型，以解決目前軟件計算時間過長而不能滿足模擬要求的問題；4、將顆粒流分析

3、技術(shù)、先進的室內(nèi)模型試驗量測技術(shù)和計算機仿真模擬技術(shù)有機融合。 在室內(nèi)模型試驗方面，使用了先進的數(shù)字圖像試驗分析手段記錄管涌現(xiàn)象，取得有益于數(shù)值模擬的細觀參數(shù)。在數(shù)值模擬方面，摒棄了有限元理論模擬大變形和破壞問題天然的局限性，使用能夠模擬破壞現(xiàn)象的顆粒流理論，利用并開發(fā)顆粒流程序模擬管涌現(xiàn)象，實現(xiàn)了使用細觀參數(shù)定量的確定宏觀參數(shù)的突破。本文在如下幾方面的研究值得重視： l、針對不同級配及細粒含量的土樣使用數(shù)碼相機和先進的

4、數(shù)字圖像變形量測技術(shù)研究管涌過程中試樣的宏觀臨界參數(shù)，得到了管涌發(fā)生的臨界水力梯度，發(fā)展過程中的流速與水力梯度變化關(guān)系和流失量的變化規(guī)律以及宏觀的顆粒移動情況和通道路徑的形成過程； 2、使用高分辨率的體視顯微鏡記錄局部土體管涌現(xiàn)象的細觀變化全過程，真實還原管涌現(xiàn)象產(chǎn)生和發(fā)展過程中細觀顆粒流失的路徑和顆粒相互之間的作用現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上采用先進的數(shù)字圖像土體細觀組構(gòu)量測技術(shù)對管涌發(fā)生發(fā)展過程中細觀孔隙率變化規(guī)律以及細觀的顆粒之間的相

5、互作用關(guān)系規(guī)律進行了研究，揭示了管涌發(fā)生發(fā)展過程的細觀力學機理； 3、通過不同組構(gòu)的等粒徑二維平面與三維空間模型的孔隙率轉(zhuǎn)換關(guān)系分析，建立實用的等粒徑的二維與三維孔隙率轉(zhuǎn)換關(guān)系公式，為使用PFC2D程序模擬土體的三維組構(gòu)關(guān)系提供了孔隙率轉(zhuǎn)換的依據(jù)； 4、利用并開發(fā)PFC2D顆粒流程序?qū)Σ煌瑩饺肓康目蓜宇w粒試樣管涌現(xiàn)象進行了細觀數(shù)值模擬。揭示了不同摻入量的可動顆粒試樣管涌產(chǎn)生與發(fā)展過程中一系列的細觀參數(shù)變化規(guī)律，揭示管涌通

6、道形成了細觀力學機理； 5、利用并開發(fā)PFC3D顆粒流程序?qū)Σ煌降目蓜宇w粒試樣在不同水壓力作用下的管涌現(xiàn)象進行了細觀數(shù)值模擬。定量的確定了管涌發(fā)生的臨界水力梯度。揭示了不同粒徑的可動顆粒試樣管涌隨水力梯度變化的一系列的細觀參數(shù)變化規(guī)律，揭示管涌發(fā)生發(fā)展過程中顆粒與水流相互作用關(guān)系，指出水與土之間的相互作用貫穿于整個管涌現(xiàn)象的全過程； 6、利用并開發(fā)PFC3D顆粒流程序?qū)γ绹崽脡喂苡繚⒌态F(xiàn)象進行數(shù)值模擬，事實證明PFC理論能