非饱和砾石土心墙料渗透变形的试验研究

开展了砾石土心墙料的渗透变形试验，对比了砾石土是否饱和、水力坡降提升模式等对抗渗能力的影响，重点研究了土样不预先饱和、直接施加高水力坡降时的渗透变形特性，同时对比了小于5 mm的细粒含量、是否布置反滤等的影响。饱和状态对砾石土高水力坡降作用下的抗渗能力影响较大，预先饱和的砾石土能够承担较大坡降而不发生管涌破坏，而不预先饱和的砾石土则可能发生管涌破坏。在承受单级快速施加的较大坡降时，不预先饱和的砾石土均发生渗透破坏。施加的坡降越大，则细颗粒开始被带出的时间和破坏时间越短。细粒含量降低会导致不预先饱和土样抗渗坡降的下降。当砾石土干密度、初始含水量相等时，破坏水力坡降随细粒含量下降而减小。有反滤保护后砾石土抗管涌破坏能力明显提升，但低细粒含量的土料仍可能发生管涌破坏。     

堤防管涌的数值模拟

管涌是堤坝在洪水期间的常见险情.在未发生渗透变形区域的水流用常规渗流理论计算,在管涌通道区域用管流理论,公共边界上两者之间水头相等,流量大小相等且流入和流出方向相反,这种渗流-管流耦合的方法能够描述管涌发展的基本规律.根据水平管道泥沙起动理论和垂直井桶携砂理论提出了临界流速的计算方法.根据临界流速可以判断管涌通道是否继...     

混凝土允许渗透坡降的研究

本文根据试验资料 ,论述了混凝土渗透系数与混凝土龄期、渗透历时、水力梯度等的关系 ;研究了混凝土的临界水力梯度及渗透稳定性 ;指出用达西定律研究混凝土的渗透问题时应考虑的因素。     

黄河源泥炭型弯道悬臂式崩岸模型研究

悬臂式崩岸是黄河源泥炭型弯曲河流崩岸的主要形式，其崩岸过程与临界条件决定弯道横向迁移速率。采用野外测量、理论建模和数值模拟相结合的方法，研究若尔盖盆地黑河支流麦曲上游一个“Ω”型弯道的5个实测断面的崩岸过程与临界条件。根据泥炭型弯曲河流的二元结构河岸特点，建立其河岸稳定性模型，推导上、下层土体发生悬臂式张拉破坏及剪切破坏的静力平衡方程。基于实测岸坡形态、河岸土体组成和水流条件，运用BSTEM模型模拟5个实测断面粉沙层的崩岸过程，得到洪水期河岸整体处于临界崩塌状态下的稳定性系数，预测了5个实测断面发生3次连续崩岸后的岸坡形态，与野外观测结果较吻合。     

内部侵蚀过程中土体失稳现象与阈值分析

应用渗流-颗粒耦合的三维数值模型,计算分析土体的内部侵蚀过程。模型采用离散元法（DEM）计算颗粒运动过程,用有限体积法（FVM）计算渗流流场,颗粒运动与流场之间通过共用封闭项耦合。模型复演经典试验得到的颗粒体系流动-变形特性,并建立了有效摩擦系数μeff与颗粒体系稳定性之间的联系,进而刻画了土体在水头阈值Hc下突发性失稳现象：当加载水头小于Hc时,μeff 近似等于μ0,此时土体稳定,无内部侵蚀现象;当加载水头达到Hc时,μeff 突增至μ1以上,此时土体突然失稳,内部侵蚀发生（μ0和μ1为计算率定值）。论文工作为深入认识堤防和土石坝中渗流侵蚀破坏机理提供了新的思路。     

黏性土-结构接触面剪切变形时的渗透机理分析

高心墙堆石坝在心墙和岸坡混凝土垫层间常设有一层接触黏土。这层接触黏土在缓解心墙与混凝土之间较大的不协调变形的同时还应具有较强的抗渗能力。接触面附近土体在高水头作用下产生大剪切变形,处于复杂的应力、变形和渗流状态。工程界普遍对此处是否更容易发生渗透破坏抱有疑问。接触面剪切-渗流试验的结果显示,在土体与结构之间发生较大剪切错动的情况下,渗透性呈现减小的趋势,但对其机理尚不清楚。本文在Biot固结理论的基础上,结合剪切渗透系数模型反映物理状态和变形对渗流场的影响,利用接触面单元反映试验中不同部件之间的接触关系,建立多体-多场耦合分析方法,对接触面剪切-渗流试验进行了数值模拟。通过分析计算结果,揭示了在接触面剪切-渗流的过程中,土体内部的应力-变形和孔隙比的演化过程以及渗透特性的内在机理。     

孔隙分形结构对煤焦燃烧特性影响的数值研究

为了研究煤焦颗粒的分形结构对煤焦燃烧特性的影响,采用随机漫步的算法生成了2组具有相近孔隙率和比表面积,但分形维数不同的颗粒模型。从分子运动论的角度建立分形多孔介质中的扩散模型,用简单碰撞理论(simplecollision theory,SCT)模拟煤焦与氧气的气固反应。在不同温度下对不同煤焦颗粒模型的燃烧进行了数值模拟,由数值计算的结果得到了不同孔隙结构的煤焦颗粒对应的表观动力学参数。结果表明,煤焦颗粒的分形维数对煤焦的表观反应参数有显著影响,分形维数越大,煤焦表观燃烧反应系数越小,呈现指数关系。     

基于分形理论的水汽在燃煤细颗粒表面异质核化数值研究

利用Fletcher模型对过饱和水汽在燃煤细颗粒表面异质核化特性进行了数值预测,对不同粒径段燃煤细颗粒的形态进行扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)分析,并用分形理论对细颗粒物的结构特征进行描述,考察其对细颗粒异质核化性能的影响。结果表明,实验用的燃煤细颗粒表面具有典型的分形结构,分形维数在2.21~2.63;燃煤细颗粒的不规则结构能使液滴胚胎形成临界吉布斯自由能降低、成核速率增大、核化所需的临界过饱和度降低,可提高过饱和水汽在其表面的成核能力;此外,核化所需临界过饱和度随颗粒粒径增大而降低,特别是小于0.1 mm的颗粒,粒径对过饱和度的影响更为显著,随温度提高核化所需的临界过饱和度相应降低。     

接触面直剪试验及数值模拟分析

土体与结构的接触面广泛存在于各种岩土工程之中，建立可合理描述其变形特性的接触面本构模型至关重要。分别进行了糯扎渡反滤料I–混凝土底板接触面直剪试验和模拟该试验的有限元数值计算，分析了接触面直剪试验中的剪切变形和渐进破坏特性。研究结果表明，接触面直剪试验不是单元体试验，接触面破坏是一个渐进破坏的过程。接触面试验中量测的位移包括了接触面上的剪切位移和接触面附近土体的变形两部分。在有限元计算分析中，前者可采用刚塑性模型计算和反映，后者可通过土体的一般本构模型来计算和描述。     

钙质砂颗粒特征及其对压缩性影响的试验研究

钙质砂颗粒具有多孔、形状不规则、易破碎等特性，对其工程性质有很大的影响。为探讨钙质砂粒径、形状对其压缩性的影响，本文对取自南海某岛屿的钙质砂颗粒依据其粒径与形状进行分组，进而对不同组分的钙质砂颗粒进行矿物成分分析、形状参数统计，并进行侧限压缩试验。统计分析表明：钙质砂按照颗粒形状可分为块状、枝状与生物碎屑状；矿物成分均为以文石为主的碳酸钙矿物，且不同粒径、形状的钙质砂矿物成分组成相似。侧限压缩试验结果显示：钙质砂的压缩变形以不可恢复的塑性变形为主，试样压缩可分为初始压密阶段和颗粒破碎阶段，在初始压密阶段（竖向压力p = 0 ~ 100 kPa），试样压缩变形主要依赖颗粒间的运动与重新排列，小粒径试样压缩量较大；在颗粒破碎阶段（p > 200 kPa），颗粒破碎控制试样压缩变形，颗粒越大越容易发生颗粒破碎，使得大粒径试样压缩量较大；枝状颗粒的压缩性远大于块状颗粒和生物碎屑状颗粒。     

滴头插入式毛管局部水头损失模拟研究

滴灌是目前最有效的节水灌溉方式之一,而准确计算毛管水头损失是滴灌设计的前提。毛管沿程水头损失的计算已基本形成统一认识,而局部水头损失规律因滴头形状的复杂性和布置方式的多样性仍没形成一致认识。为探明滴头插入对毛管水流局部阻力及流动特性的影响,本文对两种插入式毛管进行灌水试验,同时采用计算流体力学(CFD)数值模拟并分析验证,结果表明数值模拟与试验吻合度较高,可用数值模拟研究插入式毛管局部水头损失。在此基础上对9组滴灌管进行模拟研究,分析了不同流态下毛管局部水头损失系数影响因素。结果表明层流和紊流流态下,毛管局部水头损失系数均随雷诺数的增大而减小,随滴头毛管断面面积比的增大而增大;毛管局部水头损失占沿程水头损失之比值与滴头间距和滴头流量有关;毛管层流段水头损失相对较小,在不需精确计算时可忽略不计。研究结果可为管网水力计算提供参考。     

粗化层试验与预报

从试验和理论角度对床面冲刷形成粗化层问题作了研究。基于冲刷粗化试验资料并结合非均匀沙分级起动公式确定了粗化层形成和完全破坏的临界水力条件。文中建立了以非均匀沙分级起动概率为核心可同时预报粗化层级配和冲刷深度的冲刷粗化多步随机模式,预报结果与粗化试验资料颇为一致。     

超细化煤粉表面形态分形特征

该文将合山、晋城煤分别制成4种不同粒度的常规煤粉与超细化煤粉进行了试验研究。采用英国Malvern公司的。MAM5004型激光粒度分析仪测定合山煤、晋城煤各4种不同粒径煤样的粒度分布。采用美国：Micromeritics公司的ASPA2000型比表面积及孔径分布分析仪测定煤样的比表面积和孔隙。采用美国LECO公司的CHN600型元素分析与，MAC-500型工业分析仪测定的工业分析与元素分析数据。运用分形理论和等温吸附理论及燃烧原理，分析煤粉颗粒粒度对其表面结构：比表面积，孔容积，孔径分布及其燃烧特性的影响。试验研究与理论分析表明，随着煤粉粒径的减小，煤粉颗粒的孔隙中小孔的数目增多，平均孔径减小，吸附量与吸附表面积增大，表面结构复杂，表面分形维数增高，有利于煤粉颗粒的燃烧。煤颗粒的表面分形维数能很好地反映煤粉颗粒的物理结构特性，并进一步提供有效的煤粉颗粒燃烧特性信息。超细化煤粉具有复杂的表面结构和高的表面分形维数，通过超细化改变煤粉的物理结构，完善燃烧特性，证明超细化煤粉燃烧是一种具有发展潜力与前途的煤粉燃烧新技术。     

沥青混凝土心墙坝应力变形及水力劈裂研究

采用三维非线性有限元法对新疆某沥青混凝土心墙堆石坝进行了应力变形分析,计算中采用邓肯E-B模型作为坝体及心墙的本构模型,对大坝施工和蓄水过程进行了模拟,并采用线弹性断裂力学方法对沥青混凝土心墙是否会发生水力劈裂破坏进行了判定分析。计算结果表明,坝体和心墙应力变形均处在合理范围之内,但心墙中存在一定的拱效应,需要研究其发生水力劈裂的风险。基于线弹性断裂力学理论建立了沥青混凝土心墙水力劈裂判定准则,并在可能开裂处预设裂纹进行水力劈裂判定,结果表明,该裂纹尚不能扩展,沥青混凝土心墙不会发生水力劈裂破坏。     

钙质砂压缩过程中颗粒破碎的细观特征

本文采用自设计的透明模型箱，通过侧限压缩试验，结合近景摄影测量技术，探究了钙质砂的压缩与颗粒破碎特征。试验表明，钙质砂的压缩变形可以分为三个阶段：低应力下的初始压密阶段，变形以颗粒位置调整使得颗粒间孔隙被压缩为主；中等应力下的研磨和棱角破裂阶段，变形以颗粒研磨和棱角破裂的破碎模式为主，一定程度上破坏了钙质砂颗粒间的咬合力和摩擦强度，使得变形进一步发生；高应力下的整体破碎阶段，钙质砂颗粒以整体破碎的模式主导钙质砂试样的变形，钙质砂颗粒整体破裂成大量的小颗粒，钙质砂内孔隙被大量释放，钙质砂试样进一步被压密。不同粒径的钙质砂压缩破碎的模式不同，在试验应力条件下（σmax < 6 MPa），粒径大于5 mm的钙质砂试样压缩过程中会经历上述完整的三个阶段。     

高地温水工高压隧洞结构模型试验研究

为揭示高地温梯度与高内水压力联合作用下水工隧洞围岩的承载特性，在研制完整硬岩多物理场相似材料的基础上，通过温度荷载与内水压力联合加载技术开发，结合声发射的信号监测与空间定位技术，开展大比尺高地温水工高压隧洞的水工结构模型试验，对隧洞围岩的温度场、渗压场、声发射和裂纹发育的动态演化过程进行了测试与分析。试验结果表明，与非高地温条件相比，高地温条件下水工高压隧洞围岩出现水力劈裂所需的临界内水压力明显较低；与非高地温条件下围岩出现少数几条主裂缝不同，高地温条件下围岩主裂缝之间的次生裂缝甚为发育；高地温条件下水工高压隧洞围岩的热-水-力多物理场耦合效应明显，内水压力不变条件下围岩的裂缝扩展与损伤增长呈现非连续阶跃变化特征；高地应力条件下高地温水工高压隧洞水力劈裂位置与裂缝扩展受地应力侧限系数影响较大。     

水力旋流器中水沙两相流动三维数值模拟

运用基于颗粒动力学理论的欧拉-欧拉液固多相湍流模型,对水力旋流器内的高浓度水沙两相三维流动进行了数值模拟研究.研究内容包括水力旋流器内的水相和颗粒相速度分布、不同粒径颗粒浓度分布和分离效率等.模拟结果表明,水力旋流器内颗粒浓度分布是不均匀的,对于粒径5μm、15μm的泥沙颗粒,主要分布在内旋流区域;而对于30μm的泥沙颗粒,主要分布在外旋流区域.在旋流器锥体空间,颗粒相与水相的切向和轴向速度分布曲线基本重合,而径向速度分布曲线有明显的差值.最后与混合模型颗粒分离效率的计算结果进行了比较.     

混凝土材料破坏过程的二维离散元模拟

采用数值方法研究混凝土材料的破坏过程.用颗粒流程序PFC2D对混凝土试件单轴压缩破坏全过程进行模拟.采用PFC2D颗粒流程序中接触本构模型,并选择平行粘结模型用以模拟混凝土材料的强度特征.分析了数值试验中的应力一应变曲线以及体积应变的变化规律,讨论了应力.应变曲线下降段以及两倍峰值应变时试件的破坏特征,详细分析了颗粒尺寸、颗粒数目等细观参数对模拟结果的影响,从而为确定数值模型合理的颗粒数目和尺寸提供依据.同时把数值模拟结果与试验结果进行对比分析.结果表明,基于离散元法的混凝土材料破坏模拟具有显著的优点,可以真实地模拟裂纹的生成、扩展以及破坏的全过程.     

水室挡板流阻试验研究

提出了按变体相似理论进行复杂形状阻力件的流阻试验方法。利用变体相似理论设计了水力模型并进行了流阻模拟试验,获得了AC600压水堆蒸汽发生器水室挡板流阻特性曲线,可供实际工程设计使用。     

热解过程中玉米秆颗粒孔隙结构的演化

利用氮气等温吸附/脱附法(-196 ℃)和扫描电镜(scanning electronic microscopy,SEM)等研究了热解过程中玉米秆颗粒孔隙结构的演化,并用分形维数来描述焦颗粒内部孔隙表面形态的复杂程度。结果表明,热解温度对生物质焦的孔结构和表面形态有显著影响。在热解过程中,焦中孔的形状发生了一定的变化,各种孔的比例有了较大变化,且孔径有先变小后变大的趋势。高温导致焦颗粒发生塑性变形,使得孔隙扩大和孔表面更加光滑。随着温度的升高,玉米秆焦的BET比表面积经历一个先减小后增大再减小的过程,500 ℃以前,孔容积的变化规律与比表面积相近,但当温度高于500 ℃时,比表面积在减小,而孔容积在增大。通过分形FHH方程回归得到的分形维数DFHH能较好地表征颗粒内部孔隙表面的分形特征。其分形特征与热解温度密切相关,分形维数DFHH的变化与BET比表面积SBET有一定关联。