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地下水管泄漏所致砂土的破坏模式及其细观机理研究
结题报告
批准号:
51409097
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
崔惜琳
依托单位:
学科分类:
E0905.水工岩土工程
结题年份:
2017
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
李丽华、陶高梁、李峻、郑飞、袁波
国基评审专家1V1指导 中标率高出同行96.8%
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中文摘要
本项目以我国城市地下水管泄漏导致的地陷事故逐年增多、其工程危害日益凸显的现状为背景,针对现有研究的不足,基于土力学与流体动力学的理论基础,采用“试验+分析→模型→应用”的研究思路,结合计算机数值仿真与物理模型试验,致力于研究地下水管泄漏所致砂土的基本破坏模式,并深入细观层面分析其发生机制及演化规律。首先,通过对多种渗流模态下流土临界孔隙水压差与管道内外压差的试验研究,建立砂土在泄漏水流作用下的流土临界状态预测模型。其次,通过分析研究空洞形成至稳定过程中流场分布、空洞上部应力分布、土颗粒粒间接触力分布随时间的变化规律,建立基于颗粒层面的空洞演化与稳定细观力学模型。再次,通过管涌型砂土在泄漏水流作用下的潜蚀破坏试验,阐明此类潜蚀破坏的发生机制与演化规律。最终,建立与完善地下水管泄漏所致的砂土破坏机理与预测模型,为有效预测和控制由地下水管泄漏引发的城市设施破坏与安全事故提供理论指导依据。
英文摘要
Leakage from underground pipes could result in foundations being undermined and damages to adjacent infrastructures. Such hazards are increasingly encountered in the modern cities in China. Due to the existing research gaps in the area of soil-leakage interaction, the project aims to investigate the mechanism underlying the initiation and progression of the leakage-induced sand failure. Based on the fundamental theories in soil mechanics and fluid dynamics, the project is engaged to build up a prediction model for the critical state of sand fluidization by studying on the pore pressure drop across the bed as well as the pressure difference across the orifice. Moreover, the flow field, stress field, and inter-particle forces are going to be explored during the formation of stable cavity due to fluidization, and a mechanical model on the particle level is going to be established for cavity evolution and stabilization. In addition, the suffosion mechanism and its progression induced by a pipe leakage are also of special interest in this project. Following the flow of ‘experiments + analyses → models → application’, the study is going to be carried out with numerical simulation and model tests adopted as main methods. The outcome of this project would be able to bring more complete and in-depth understanding of the soil-leakage interaction, and to provide effective practical instructions for prediction and control of the hazards caused by an underground leaking pipe.
本项目针对地下水管泄漏所致砂土破坏现象,开展渗流破坏过程及细微观水力特性的物理模型及数值模型试验。设计并制作水管泄漏试验装置,利用研制的水管泄漏试验模型装置开展了水管泄漏所致砂土破坏实验,研究了泄漏口径和颗粒级配对破坏过程的影响,进行了细观机理分析,解释了泄漏水流所致砂土破坏的演化过程。利用DEM-LBM数值模拟技术建立砂土模型,研究了渗流过程中空洞现象,及细观流速与压力分布;利用IMB计算了渗流力F和泄漏上方土体楔形角重度W的变化;从微观孔隙通道的角度,提出了饱和/非饱和土渗透系数模型。研究结果如下:.利用模型装置开展泄漏试验,验证了砂土破坏时的“空洞”现象,空洞是泄漏水流所致砂土破坏的重要标志。此外,渗流水头的峰值是空洞形成的判定依据,试验结果表明泄漏口径越小,泄漏临界水压力越大。空洞自下而上迁移形状先为饱满增大后逐渐扁平消失,空洞消散后,泄漏处形成呈辐射状贯通的水土混合流,发生大面积的管涌破坏。.水管泄漏所致砂土破坏模型预测中,扎马林计算公式更加符合泄漏所致所致砂土破坏的临界水力梯度。利用分形模型公式计算不同颗粒级配试样的分维数D,分维数D和临界水力梯度有较好的线性关系,分维数D越大,临界水力梯度越小;.利用数值方法建立水管泄漏的砂土模型,研究了渗流过程流速与压力分布。在泄漏口附近,随着流速的增加,孔隙压力达到一个临界值。超过这个临界点,当流速进一步增加,孔隙水压力大幅减少。孔隙水压力突然大幅度降低可以表明流化的发生。从数值结果中可以看出楔体重量有微小的增加,这主要是因为:空洞形成后,两侧的应力在机制上升过程中突然释放,从而使得楔体旁边的颗粒移动到楔体内;渗流力F一开始上升到峰值,然后下降到一个稳定值。可认为,F值降低是由空洞发展过程中空洞的附近的压力下降所引起的。.项目组提出的微观孔隙通道渗透系数模型预测效果较好,相同基质吸力条件下,初始孔隙比越小,相对渗透系数越大。
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DOI:10.13243/j.cnki.slxb.20160993
发表时间:2017
期刊:水利学报
影响因子:--
作者:陶高梁;孔令伟
通讯作者:孔令伟
DOI:--
发表时间:2016
期刊:冰川冻土
影响因子:--
作者:陶高梁;柏亮;庄心善;张然
通讯作者:张然
DOI:10.1016/j.amc.2015.10.076
发表时间:2016-03
期刊:Appl. Math. Comput.
影响因子:--
作者:Fumei Rong;B. Shi;X. Cui
通讯作者:Fumei Rong;B. Shi;X. Cui
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