基于MIDAS的尾矿边坡三维流固耦合稳定性分析

针对尾矿坝边坡稳定性问题,使用三维有限元软件计算,对吉林省集安石墨尾矿坝进行渗流-应力-边坡耦合分析。渗流分析基于三维介质达西定律,通过不断改进工况条件来降低浸润线溢出部位,保证坝体不会发生渗透破坏。同时,尽量降低溢出部位的应力坡降,保证坝体不会发生流砂、管涌等形式渗透破坏。在渗流计算的基础上,进行渗流-应力-边坡耦合,不断改进尾矿边坡的坡角和高度等要素,得到强度折减法下的尾矿边坡稳定性系数。通过理论计算和验证,提出了一种便于施工的排渗体布置方式,并验证了排渗体的可靠性,为尾矿坝具体施工提供了技术支持。     

砂砾石与砂接触冲刷试验研究

渗流作用下土层之间的接触面是较易发生渗透破坏的薄弱环节。在开展砂砾石渗透破坏试验研究的基础上,针对砂砾石与砂的接触面渗流及渗透破坏特性,利用大型竖向渗透仪和自主研制的环状径向水平渗透仪,研究了竖向和水平渗流作用下接触面渗流和渗透破坏的影响因素及接触冲刷的发生、发展过程。研究结果表明,典型的砂砾石与砂的接触冲刷破坏过程可分为稳定渗流阶段、过渡阶段和破坏阶段3个阶段,可用2个特征水力坡降进行划分,稳定渗流阶段与过渡阶段的分界点对应的水力坡降称为启动坡降,过渡阶段与破坏阶段的分界点对应的水力坡降称为破坏坡降;砂砾石与砂组合试样的渗透系数随砂砾石密度的增大、颗粒变细而减小,砂砾石与砂接触冲刷的抗渗坡降则随砂砾石密度的增大、颗粒变细而增大,在水平渗流情况下试样的渗透系数较竖向的大,但接触冲刷的抗渗坡降较竖向的小。     

不同应力条件下砾石土防渗料和反滤料联合抗渗试验研究

利用自行研制的可提供高水压、高应力的粗粒土大型高压渗透仪,对双江口砾石土心墙堆石坝防渗料和反滤料进行了联合抗渗试验,研究不同应力状态下防渗料和反滤料的渗透变形特性。结果表明：（1）单向压缩条件下,防渗料的渗透系数随应力的增加而减小,且渗流稳定时的渗透系数与应力的关系满足Louis负指数方程;试样发生破坏的临界坡降随应力的增加而增大。（2）水平加荷、竖向自由变形条件下,试样的渗透系数随水平应力的增加先减小后增大。试样发生破坏的临界坡降随水平应力的增加先增大后减小。在达到峰值之前,反滤料越松或越细,临界坡降随水平应力增大的幅度越大;在达到峰值之后,反滤料越密或越细,临界坡降随应力减小的幅度越大。     

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。     

心墙堆石坝应力状态对渗流场影响的有限元分析

一般对土石坝进行渗流分析时都未考虑坝体的应力场对渗流场的影响。然而,在土石坝的蓄水过程中,坝体内的应力状态复杂且变化大,对渗流场的影响也较大。因此,忽略应力场对渗流场的影响必然造成一定的误差。用有限元方法对心墙堆石坝体蓄水过程中考虑和不考虑应力场影响的渗流场进行对比分析,计算结果表明,渗流-应力耦合作用下坝体局部压密变形,渗透流速减小,心墙下游出逸区域的水力坡降峰值明显高于非耦合值。因此,渗流分析时有必要考虑应力场的影响,否则会得出偏于危险且对工程不利的结果     

深厚覆盖层潜蚀对大坝应力变形影响的有限元模拟

深厚覆盖层坝基潜蚀不一定导致坝基的渗透破坏。但坝基砂砾石土内部细颗粒的流失,一方面会增大土体的渗透性;另一方面可降低土体的强度和变形模量。前者导致坝基坝体渗流场的变化,从而引起坝体变形和应力变化,后者变形模量衰化,导致坝基坝体变形和应力调整。潜蚀造成的坝基和坝体应力变形对大坝的正常使用和安全性带来一定负面影响,定量评估这种影响是内部不稳定砂砾石深厚覆盖层坝基采用悬挂式防渗墙处理方案设计和该类大坝运行管理的迫切需求。提出了潜蚀对大坝应力变形影响的模拟方法,对一个典型大坝设计方案进行了计算分析,该设计方案中潜蚀造成应力变形变化的两种机制中,渗流场变化机制对坝基坝体的应力变形改变远大于模量衰化造成的影响。总体上该方案潜蚀造成的坝体变形和应力变化并未显著降低坝体的安全性。     

管涌与滤层的研究:管涌部分

对管涌和滤层两个相关联问题的研究发展过程进行了综述和评论,并将过去的研究成果与之比较。管涌问题是土体渗透变形的一个重要现象,关系到地基的渗流破坏。首先探讨了管涌的内在涵义,评述了当今管涌的研究现状及其发展方向,然后介绍了一些过去的试验资料、研究成果和计算公式,包括管涌土与非管涌土的判别方法,垂直向上渗流和水平渗流时的管涌临界坡降,并引用目前文献中的试验资料验证其公式是可靠的,最后说明了建立在土颗粒级配曲线上的管涌研究方法是当前的研究趋势,因而对这些过去的研究成果进行比较、讨论是有益的。     

某水利枢纽厂房基坑开挖渗透变形评估

在对渗流评估方法进行一定探讨的基础上,对某水利枢纽工程坝址区厂房基坑开挖进行了渗透变形评估。结果表明,在坝轴线方向上,无防渗墙时坡面土体在渗透力的作用下是不稳定的,有防渗墙时坡面水力坡降降到0.05以下。在砂卵砾石层与基岩的交界处仍存在略大的水力坡降（值为0.56）,如有水在细砂层、砾质中粗砂层渗出,则有可能出现渗流失稳,但总的说来由于防渗墙使水力坡降已降到很小,出现流土和管涌失稳的可能性不大。     

渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响试验研究

为研究渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响,通过对6组人造节理试件恒定法向载荷和恒定法向刚度的压剪渗流试验,分析了应力和位移、节理水力开度以及透过率随剪切位移的变化趋势,获得了渗透水压对节理岩石应力-渗流耦合特性的影响规律。结果表明：节理试件的剪切应力和位移、水力开度以及透过率都与渗透水压密切相关。剪切应力随渗透水压的增大而减小,法向变形、水力开度和透过率却随渗透水压的增大而增大。在压剪渗流试验过程中,不同渗透压力的节理试件都发生了剪胀效应。研究可为深部岩体工程围岩遇水作用稳定性及渗流灾害控制技术提供科学的理论依据。     

Hydro-mechanical coupling experiments on suffusion in sandy gravel foundations containing a partially penetrating cut-off wall

The influence of the stress state on the evolution of suffusion failure is often neglected in the design of sandy gravel foundations containing a partially penetrating cut-off wall. A series of hydro-mechanical coupling experiments on such structures was carried out to investigate the influence using a newly designed apparatus. The results indicate that: (1) The stress state has a significant influence on the evolution of suffusion, which increases the critical suffusion hydraulic gradient dramatically. (2) The critical suffusion hydraulic gradient is linearly related to the confining pressure and to the penetration ratio, and a simple interpolation function for the critical hydraulic gradient was fitted based on the experimental results. (3) The eroded mass in the development of suffusion is nonuniform and intermittent. The evolution of suffusion is a complicated and iterative process involving fine particle migration, pores being clogged, flushing out of the clogged pores, and fine particle remigration. (4) Flow along the interface of sandy gravel and cut-off wall conforms to the piecewise-linear Darcy flow rule. The results will enhance the understanding of the influence of the stress state on the suffusion failure in sandy gravel foundations containing partially penetrating cut-off walls.     

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。     

细砂层埋深对堤基管涌影响的试验研究

不同土层结构的堤基,其管涌发生和发展的情形不同。以前的研究多集中于双层堤基的情况。事实上,含夹砂层堤基中,位于砂砾石层内的细砂层会对堤基管涌的发生产生重大影响,并且这些影响随细砂层在砂砾石层中的位置不同而不尽相同。利用室内砂槽试验,模拟当细砂层位于砂砾石层内部不同深度时含夹砂层堤基管涌的发展过程,研究细砂层埋深对 堤基管涌的影响。试验结果表明,细砂层埋深存在一个临界深度,当细砂层埋深较浅时,堤基的临界水力梯度较小,易于发生管涌,且管涌发生以后,堤基被侵蚀的速率较大,出砂较多;堤基破坏的临界水力梯度随着细砂层埋深的增加而增大,当细砂层埋深大于临界埋深时,堤基的临界水力梯度基本不变,同时堤基抵抗管涌破坏的能力较强,其破坏形式与双层堤基 相类似。     

Experiments on internal erosion in sandy gravel foundations containing a suspended cutoff wall under complex stress states

Internal erosion is one of the most common failure modes of embankment dams or foundations, and the simplest and most effective preventive measure is to build a cutoff wall. The soil at the bottom of the cutoff wall is usually under complex stress states. The deeper the cutoff wall, the higher is the stress. In this study, the effects of stress conditions on the evolution of internal erosion were investigated in sandy gravel foundations containing a suspended cutoff wall using a newly developed stress-controlled erosion apparatus. Three series of erosion tests were conducted on gap-graded soil under different confining stresses, different deviatoric stresses, and different confining and deviatoric stresses. The results of these tests are as follows: (1) The discharge and permeability decrease with an increase in the confining stress, but the critical hydraulic gradient increases. (2) In the second series of erosion tests, the specimen is compressed under low deviatoric stress; the specimen undergoes shear expansion under high deviatoric stress. (3) In the third series of erosion tests, the confining and deviatoric stresses synchronously change, and therefore, their combined effect on the evolution of internal erosion is complicated. Under low stress, the soil is compressed in the early stage of the experiment, and its structure may change during internal erosion. When the stress level is high, the specimen also undergoes shear expansion, and the degree of expansion is controlled by both confining and deviatoric stresses.     

高围压下砂土的渗透特性试验研究

利用高压三轴渗透试验系统,对某矿区深部的粗砂和细砂进行了高围压条件下的渗透试验。研究了同一水力梯度下渗透系数与围压的关系;同一围压下渗透系数与渗透水力梯度的关系;同一水力梯度下,围压逐级加载的渗透系数与一次加载的渗透系数之间的差别。结果表明,粗砂和细砂在同一水力梯度下渗透系数均随围压的增大而逐渐减小,在同一围压下,渗透系数会随渗透水力梯度的增大而逐渐增大;同一水力梯度下,围压逐级加载下的渗透系数明显小于一次加载条件下的渗透系数。根据围压与渗透系数的关系拟合出了两种砂样渗透系数与围压关系的数学表达式。为探究高围压下渗透系数变化的原因,研究了砂样试验过程中的体积变化和试验前后的粒度成分变化。结果表明,围压的施加过程伴随着试样的体积减小,相应的孔隙度减小,渗透系数降低;高围压条件下,砂土颗粒被挤碎成细颗粒,使得砂土的细粒含量增多,孔隙度减小,导致了砂土渗透系数的降低。     

考虑发育薄弱区对管涌发展影响的数学模型研究

为了揭示发育薄弱区对管涌发展的影响机制,进行了管涌砂槽模型试验和颗粒流数值模拟,建立了3组模型,以研究孔隙通道的空间发育对颗粒运移过程的影响,分析了土体内部细颗粒运移引起管涌破坏的动态过程。根据数值模拟结果,分析了管涌发展过程中试样细观及流体的变化规律,并与砂槽模型试验结果进行了比较,模拟与模型试验结果较吻合。结果表明,薄弱区越发育,压力分布调整的趋势越强,颗粒运移的趋势相应增加,达到破坏需要的时间越短。数值模拟获得的临界水力梯度与室内试验以及理论分析结果均比较接近,证明了采用颗粒流程序研究管涌问题是合理的,对研究存在薄弱区的砂土管涌现象具有明显的优势和广阔的应用前景。所揭示的结果有益于管涌机制的更深入研究。     

深覆盖层上面板堆石坝应力变形特性研究

结合实测资料和有限元方法分析建于深覆盖层地基上面板堆石坝的应力、变形特性。数值计算中采用邓肯-张E-B模型模拟覆盖层地基和坝体的应力、变形行为,同时采用无厚度接触面模拟面板和坝体以及防渗墙和地基之间的相互作用。整理和分析工程实测资料并与数值计算结果进行对比分析,重点分析坝体和防渗结构的力学行为以及面板堆石坝和地基之间的相互作用。比较分析表明,大坝最大沉降和压应力分别发生在坝体底部和覆盖层中,覆盖层对坝体及防渗结构的应力、变形特性具有显著影响,应力、变形实测值与数值计算结果吻合较好,说明数值计算结果的有效性。在此基础上,分析了覆盖层上面板堆石坝分期填筑和筑坝速度对坝体和防渗结构应力变形的影响。结果表明,分期填筑引起坝体较大不均匀沉降和复杂的应力状态,但一定程度上可以改善防渗墙的应力变形特性;较快的坝体填筑速度容易引起坝体较大的前期应力和后期沉降,不利坝体的施工和运行。     

悬挂式防渗墙结合堤后压渗盖重防渗效果的试验研究

在实验室模型槽中进行了有悬挂式防渗墙以及堤后压渗盖重的渗流模型试验,取得了不同贯入度以及不同堤后压渗盖重宽度防止堤基渗透变形的系列试验成果。通过一系列试验结果表明,悬挂式防渗墙和堤后压渗盖重可有效地提高强透水层堤基抵抗渗透变形的能力,且在控制渗透变形向上游发展的作用上功效显著。研究表明,堤后压渗盖重的防渗效益往往低于较大贯入度的防渗墙,但从经济角度来看,不失为一种有效可靠的防渗措施。     

双层堤管涌的悬挂型防渗控制实验研究

双层堤基是应用较多的双面层的堤基构造类型,上层为弱透水层,下层为强透水深厚砂层。堤内弱透水层在汛期高水位时面临较高的水头承压,出现管涌的危险性极大。以实验室模拟分析的方式,专题探究双层堤管涌的悬挂型防渗控制规律,结果可知:悬挂型防渗墙在有效截断管涌迁移路径方面具有独特功能和阻滞效果,管涌没有出现之前,悬挂式防渗墙消解水头冲刷的作用一般不很明显,而一旦有管涌发生,防渗墙对透水堤基深入越深,防渗作用将越好,如果保持贯入度相同,则下游布置防渗墙比上游布置防渗墙效果要好。研究结果为同类工程应用提供研究和技术参考。