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多相耦合管涌机理及堤防安全预警系统研究

作　者: 毕明宇
导　师: 姚磊华；张彬
学　校: 中国地质大学（北京）
专　业: 岩土工程
关键词: 堤防管涌多相耦合 WebGIS Comsol
分类号: TV871.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

堤防工程是关系国计民生的关键性水利工程,它的安全与稳定至关重要。在汛期,堤基渗透变形破坏是引起堤防险情的主要原因,管涌在其中占了相当大的比例。但由于管涌的随机性和复杂性,目前对管涌的发生发展机理的认识还存在较大争议,尚无公认的研究方法与理论。进一步进行管涌机理研究对预测渗透变形发生形式以及具体位置、对堤防抢险加固进行科学的指导等,都具有重要的理论和实践意义。在管涌理论研究的基础上建立堤防安全预警系统,实现管涌数据的动态更新和灾情预报,为防汛抢险决策提供技术支撑,对确保人民生命财产安全具有重要意义。本文的主要工作包括:(1)搜集整理了大量国内外管涌相关研究资料,详细描述了管涌形成发展的过程;对堤基管涌影响因素进行了定性分析,得出了许多有意义的结论。(2)通过对黄河堤防管涌室内模型试验和防汛演习现场原型观测试验资料的分析,概括了管涌的形成发展的四个阶段及每个阶段的特征,得出管涌通道内的流速、压力分布、管涌进口吸力大小等参数的变化规律。(3)依据管涌发生发展的耦合机理,将土体概化为三相模型,即土骨架相,液化细颗粒相及水相。基于多孔介质的连续水动力学理论,提出管涌发生发展过程中渗流侵蚀耦合机理,建立多相质量守恒微分方程,同时引入渗流侵蚀本构方程,建立了管涌多相渗流侵蚀耦合数学模型。利用Comsol中的大规模稀疏矩阵PARDISO方法对模型中的参数进行了系统的分析。该模型考虑了水相的渗流与土骨架颗粒相的侵蚀之间的耦合效应,较为真实地模拟了管涌发生发展的非稳态、高度非线性的复杂过程。(4)基于ArcGISServer平台,利用数值模拟计算结果,初步建立了堤防安全预警系统和管涌信息数据库,实现了堤防管涌灾害分布位置的快速浏览、查询及数据的动态更新,为堤防防汛抢险提供准确及时的信息。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-28
  1.1 研究背景与意义  10-13
  1.2 管涌的研究现状  13-23
    1.2.1 管涌分析模型  13-15
    1.2.2 管涌理论模型的研究进展  15-21
    1.2.3 管涌试验研究现状  21-22
    1.2.4 管涌的数值模拟研究现状  22-23
  1.3 WebGIS 在水利工程中的应用现状  23-25
  1.4 研究内容及技术路线  25-28
第2章堤基管涌机理分析  28-36
  2.1 管涌的形成与发展  28-29
  2.2 堤基管涌影响因素分析  29-34
    2.2.1 堤基土层参数对管涌的影响  29-31
    2.2.2 堤基地层结构对管涌的影响  31-32
    2.2.3 水力条件对管涌的影响  32
    2.2.4 管涌出口对管涌发展的影响  32-33
    2.2.5 管涌影响因素的关系  33-34
  2.3 小结  34-36
第3章黄河堤防管涌发展机理试验研究  36-46
  3.1 室内土工试验  36-39
    3.1.1 试验内容  36
    3.1.2 物理力学性质  36-39
  3.2 管涌发展过程现场监测  39-43
    3.2.1 管涌通道内平均流速观测  39-40
    3.2.2 管涌发展过程观测  40-43
  3.3 试验结果分析  43-45
    3.3.1 管涌形成发展的四个阶段  43-44
    3.3.2 管涌通道形状及其形成机理  44
    3.3.3 影响管涌通道发展速度的因素  44
    3.3.4 通道内流速、压力分布  44
    3.3.5 影响通道内平均流速变化的因素  44-45
    3.3.6 影响管涌通道进口吸力大小的因素  45
  3.4 小结  45-46
第4章基于多相耦合渗流侵蚀理论的管涌研究  46-84
  4.1 管涌有限元分析基本理论  46-49
    4.1.1 达西定律的孔隙水压力表示  46-47
    4.1.2 渗流的连续性方程  47
    4.1.3 渗流的基本微分方程  47-48
    4.1.4 基本微分方程的定解条件  48-49
  4.2 管涌多相耦合机制  49-50
  4.3 模型条件假定  50-51
  4.4 管涌多相耦合数学模型  51-56
    4.4.1 基本定义  51-52
    4.4.2 多相管涌模型控制方程  52-56
  4.5 基于有限元方法的数值模拟研究  56-82
    4.5.1 Comsol Multiphysics PDE 建模基础  56-57
    4.5.2 算例1－井口出砂问题模拟  57-66
    4.5.3 算例2－二维管涌通道模拟  66-73
    4.5.4 算例3－防渗墙管涌模拟  73-82
  4.6 小结  82-84
第5章堤防安全预警系统的设计与实现  84-100
  5.1 概述  84
  5.2 系统开发技术路线  84-85
  5.3 系统总体架构设计  85-86
  5.4 数据库设计  86-93
    5.4.1 设计依据  86-87
    5.4.2 数据库逻辑结构设计  87-88
    5.4.3 空间数据库组织设计  88-89
    5.4.4 堤防工程各类灾害表结构  89-93
  5.5 系统功能开发  93-98
    5.5.1 堤防管涌空间数据浏览与查询模块  93-94
    5.5.2 堤防管涌数据管理模块  94-97
    5.5.3 管涌预警预报模块  97-98
  5.6 小结  98-100
第6章结论与建议  100-102
  6.1 结论  100-101
  6.2 建议  101-102
致谢  102-104
参考文献  104-108

多相耦合管涌机理及堤防安全预警系统研究

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