基于随机方法的散粒多孔介质相变机理及管涌相变-渗流-应力耦合模型

Piping greatly threats people's lives and property. Piping model is essential to the prevention and prediction of the piping. But the researches on the mechanism and law of piping development are not perfect, presently. The study, the following scientific issues are researched seriously. (1) Starting of the moveable particles in granular porous media. Microcosmic research is carried out to determine the critical condition of the moveable particle and the pore flow in the porous media with stochastic method. Then propose the distinguishing method for the particle starting. (2) Phase transition law of the granular porous media. Mesoscopic research is carried out to determine the critical hydraulic gradient and the transition rate of the soils. Then reveal the phase transition mechanism of the soils. (3) Mechanism of the coupling of the phase transition, seepage and stress in piping process. Integrating the microcosmic and mesoscopic researches on the phase transition properties of the soils, a macroscopic “phase transition-seepage-stress” coupled model for piping is proposed. The model provides theoretical basis for researches on prediction, early warning and control method of piping. Proposer of the study has made some research results on piping. And the ongoing work of the proposer provides a solid base for this study.

管涌是威胁人民生命财产安全的严重灾害，建立管涌模型是管涌防治预测的关键，但目前管涌机理及发展规律研究尚不完善。本项目重点解决以下科学问题：(1)散粒多孔介质可动颗粒起动规律。在微观上利用随机方法确定可动颗粒起动临界条件及孔隙流动分布规律，提出可动颗粒起动临界条件判别方法；(2)散粒多孔介质相变规律。从细观上确定相变临界水力梯度及可动颗粒流失速率，揭示散粒多孔介质相变机理；(3)管涌相变、渗流、应力耦合机理。从宏观上研究管涌过程中土体相变、渗流场重分布及土体应力应变之间的相互作用规律，结合微/细观土体相变规律，建立涵盖微观、细观、宏观三个层面的土体相变-渗流-应力耦合管涌模型，为管涌预测、预警以及防治的研究提供理论依据，具有重要的科学意义和应用价值。申请人已取得一定研究成果，正在承担的国基主任基金正对管涌规律进行深入的研究，为本项目的顺利完成奠定了坚实的基础。

管涌是威胁人民生命财产安全的严重灾害，但目前管涌机理及发展规律研究尚不完善。本项采用模型试验与数值模拟等手段，重点研究了散粒土孔隙流动特征、管涌发生发展机理、管涌数学模型及高效求解方法等问题，取得的主要成果主要有：(1)研发了散粒多孔介质孔隙流动特征试验系统、土体管涌相变-本构耦合规律试验系统、变角度管涌发展规律试验系统等设备；(2)基于透明土技术与PIV技术，开展了散粒土孔隙流动特征模型试验，揭示了散粒多孔介质中孔隙流动特性以及孔隙流速统计规律，以及颗粒组成等对孔隙流动特性的影响规律；(3)开展了应力-相变耦合条件下的管涌侵蚀模型试验，确定了散粒土体管涌临界条件、管涌侵蚀规律等与土体颗粒组成、密实度、应力状态、渗流方向等之间的关系，揭示了土体组成、应力状态等影响管涌发生发展规律的细观机理；(4)建立了管涌发生发展耦合数学模型，提出了基于自适应流网单元格的管涌耦合模型高效求解技术，揭示了含水层非均质对管涌发展规律的影响，提出了基于随机理论的堤防管涌风险评估方法。项目成果为管涌预测、预警以及防治的研究提供理论依据，具有重要的科学意义和应用价值。成果在《Water Resources Research》、《Journal of Hydrology》等期刊发表，并获得国家发明专利授权3项。