剪切-渗流耦合作用下粘性土接触冲刷特性研究

Interface scouring problem is the topic of this research. There are three main research aspects. Firstly, testing researches of interface scouring characteristics of clayey soil are carried out based on developed shear-seepage contacted testing device. Mechanisms of interface scouring and overall processes from beginning to break are revealed. And then a mathematic model for interface scouring is established by theoretical analysis. Initial moving of soil micelle is analyzed and a method for safety assessment of scouring stability is proposed. By implanting the mathematic model into numerical calculation software for fluid-structure interaction, the overall processes of interface scouring will be simulated. The innovation points of this topic are interface scouring tests and characteristics studies, occurrence mechanisms and processes analysis, mathematic model and a safety assessment method, numerical simulations and so on. The research results can be guidance to revealing mechanisms of interface scouring and evaluating seepage safety of geotechnical structures, which has theoretical significance and important practical values.

本课题以粘性土的接触冲刷破坏问题为对象开展研究工作，拟采用自行研制改进的土工接触面剪切-渗流冲刷联合试验仪进行粘性土的接触冲刷特性试验研究；揭示剪切-渗流耦合作用条件下粘性土接触冲刷的发生机制及发展直至破坏的规律；基于理论分析，建立土体接触面的抗冲刷数学模型，分析土体微团冲刷的初始起动条件，提出土体接触面的抗渗稳定安全评价方法；将数学模型嵌入土体流固耦合数值计算软件，用以模拟土体接触冲刷发生、发展直至破坏的过程。本项目的创新点包括：研究粘性土接触面发生剪切变形后的抗冲刷特性；揭示剪切-渗流耦合作用条件下土体接触冲刷破坏的发生机制；建立土体接触面抗冲刷数学模型，提出相应的安全评价方法，并模拟土体接触冲刷破坏过程。该项目的研究成果对于揭示岩土工程中广泛存在的土体接触冲刷破坏问题的发生机制以及合理评价其抗渗安全性具有指导作用，本研究既具有理论意义又具有重要的实用价值。

土体与结构物的接触面问题是岩土工程中广泛存在的复杂问题，接触部位土体常产生复杂的剪切变形与渗流的耦合作用，对其渗透稳定性产生不利影响。在现代高心墙堆石坝工程中，在心墙与河谷两岸岸坡基岩或垫层混凝土的接触部位，由于岸坡陡峻，在该部位易产生较大的剪切错位变形甚至产生剪切裂缝，通常成为坝体应力变形中的薄弱环节，由于上、下游水头差的作用，这些大剪切变形部位也承受着较大的渗透力作用，在剪切-渗流的复杂耦合作用条件下，特别是在指向下游的渗透力作用下，这些薄弱部位极有可能产生土体的接触冲刷甚至管涌破坏，进而导致土石坝事故的发生。因此，粘性土在大剪切变形条件下的接触渗流冲刷问题受到工程界的广泛关注和疑虑，该问题已成为制约相关水工、土工结构工程安全的关键问题，亟待研究解决。.本项目通过试验研究、理论分析和数值模拟等手段，开展了粘性土接触面的剪切-渗流冲刷联合试验，揭示了土体接触冲刷破坏的发生机制；建立了接触面抗冲刷特性的数学模型，推导得到“抗渗稳定安全系数”计算公式，建立了接触面抗渗稳定安全评价方法；研制计算程序，开展了土体接触冲刷过程的数值模拟，并针对典型高土石坝工程进行实际工程应用。研究结果表明：接触面的剪切位移是引起接触面渗透性改变的重要因素；所提出的抗渗稳定性安全系数公式可有效反映接触部位土体剪切变形后的抗渗能力；心墙粘土与岸坡接触面部位是承受较大剪应力及不均匀变形的关键部位，其渗透稳定性受接触面单元厚度、接触面抗剪强度参数等因素的影响，并与岸坡坡度突变密切相关，所提出的接触面渗透稳定性安全评价方法可在心墙土石坝抗渗稳定性安全评价中取得较好效果。.本项目的研究对于解决我国拟建、在建的一大批高心墙堆石坝的渗透稳定性安全问题具有重要的理论意义和实用价值，研究成果可在多个实际工程中进行推广应用。