水利部科技创新项目“堤基管涌动态模拟及除险合理设计研究报告”通过验收
摘 要：
提出了管涌发展的概化数学模型和数值解决方案，开发了管涌发展的动态模拟有限元计算程序，对单层、双层、三层堤基以及双层堤基有悬挂式防渗墙的情况进行了管涌模拟计算，对模型和程序进行了检验，对有限元计算中参数的取值和一些处理方法进行了讨论。完成的主要工作包括：①研制了堤基管涌动态模拟的三维饱和－非饱和渗流有限元计算软件，实现了三维情况下管涌锋面的动态追综和管涌发展的动态模拟。软件中采用了用流通量判别溢出面渗流边界条件的方法，彻底解决了渗流溢出面边界处理的问题，提高了渗流数值计算的精度和效率；采用扩大管涌破坏区渗透系数的方法，实现了管涌通道与达西渗流区的统一计算模拟；采用20节点六面体高次单元，提高了管涌通道前锋面渗透坡降的计算精度，克服了8节点六面体单元的不足。该软件可用于堤基管涌发展的动态模拟计算，为堤基管涌动态模拟的进一步研究提供了基础平台，同时也可用于堤坝等工程的常规渗流分析。②针对单层、双层和三层堤基，通过管涌发展的动态模拟计算，分析了管涌发展过程中渗流场变化的特点，尤其是管涌通道前端锋面渗透坡降变化的特点，合理解释了管涌砂槽模型试验中发生的一些难以直观理解的现象，对管涌渗流场和管涌发展有了更加深入的认识。比如，当水头等于和大于临界水头时，管涌发展初期管涌通道渗透破坏的发展速度较快，之后会减慢，最后又会加快发展并最终与水源连通，计算发现，这与管涌通道前端锋面渗透坡降的变化规律是完全一致的，而这一现象直观上又是很难理解的。同样，数值计算也很好地解释了当水头小于临界水头时，管涌发展速度由大变小并最终停止的现象。③通过管涌发展的数值模拟，研究了尺寸效应对试验结果的影响，一定程度上弥补了模型试验受比尺限制的不足。④计算结果表明，当透水层的厚度相同时，单层堤基大于双层堤基的临界破坏坡降，双层堤基又大于三层堤基的临界破坏坡降，这与模型试验的结果是完全一致的。 同时，计算的管涌破坏位置与模型试验也是一致的。⑤计算表明，悬挂式防渗墙可以提高堤基管涌破坏的临界坡降，降低管涌的危害程度，并且靠背水堤脚布置时的效果更好，与模型试验也有同样的结论。
关键词：堤防，管涌，有限元，数值模拟，渗流，悬挂式防渗墙