可动多孔介质相变机理及对管涌优势流路径发展的影响研究

Piping threats people's lives and property greatly but the mechanism and law of piping development are not perfect due to the complexity of soil. The essences of the piping are phase transition of movable porous and development of preferential flow paths. In this project, phase transition mechanism is studied firstly. The influences of the particle size distribution, the compaction degree, stress state, and the seepage direction, the seepage flow state on phase transition critical conditions and transition ratio are analyzed. Then the mechanism of the coupling between the phase transition and constitutive relation is studied. And the interaction between the phase transition law and the stress-strain of soil is established. Thirdly, the relations between the soils phase transition, the constitutive relation and the extending of the preferential flow path is researched, which includes the researches on the influences of the phase transition and the deformation of soil on the extending of the preferential flow path, and the researches of the preferential flow path extending on the redistribution of seepage field and pore water pressure. A "phase transition-constitutive relation- preferential flow path extending" coupled model for piping is proposed based on the indoor tests and theoretical analysis, which provides theoretical basis for researches on prediction, early warning and control method of piping.

管涌是威胁人民生命财产安全的严重灾害，由于土体的复杂性，管涌发生发展的规律和机理研究尚不完善。管涌的实质是可动多孔介质相变以及优势流路径发展的过程。本项目首先研究土体相变的机理，分析确定土体颗粒级配、密实度、所处应力状态，以及渗流方向、渗流流态等与相变临界条件、相变速率之间的关系；其次，研究相变与土体本构的耦合规律，分析确定相变规律与土体应力应变的相互作用关系；第三，研究土体相变、土体本构与优势流路径发展的相互影响规律，分析土体相变、土体变形对优势流路径发展速度、发展规模的影响；确定优势流路径发展对渗流场、孔隙水应力场重分布的影响，研究优势流路径发展对土体相变与变形的影响，进而确定土体相变、本构与优势流路径发展的相互作用关系。通过室内试验总结与理论分析，建立管涌"相变－本构－优势流路径发展"耦合模型，为管涌预测、预警以及防治的研究提供理论依据。

为了确定土体管涌过程中可动多孔介质相变规律，揭示可动多孔介质相变机理，建立管涌发生发展数学模型，本项目利用模型试验及数值分析等方法对散粒土的管涌规律进行了研究，主要成果如下：.（1）研制了土体管涌侵蚀规律试验系统。该系统可以模拟试样在不同应力状态下的管涌过程，测定管涌发生时的临界水力梯度及管涌过程中的颗粒流失率两个重要参数，确定管涌过程中颗粒流失与体积变形之间的关系。通过不同应力状态下管涌过程中土体相变的临界状态及相变速率模拟，以及土体相变对土体应力应变关系的影响测定，实现了土体相变－本构耦合规律的试验室测定。.（2）揭示了土体管涌过程中的应力-相变耦合机理。针对土体管涌临界水力梯度及相变发生后的相变速率进行试验研究。利用不同颗粒级配的土体在不同密实度条件下制得试样，并在试验过程中测量试样相变时的临界水力梯度、相变速率，进而得到相变参数与土体性质之间的关系，确定土体相变规律与土体性质之间的变化规律。进行不同应力状态下的土体相变规律试验，明确了相变与应力状态之间的相互作用关系，揭示了不同土体在不同应力状态下的相变规律。.（3）提出了基于流网单元的管涌守恒型数值模型。利用流线与水头等势线对求解域进行离散，将管涌中的移动颗粒作为一种单组分溶质，基于质量守恒原理建立流网单元内溶质浓度求解的隐式有限体积差分格式。利用流网单元进行管涌过程中质量迁移的数值分析具有以下优势：①由于流线不会相交，因此流管内的流体不与外界有流体物制交流，流管内的流动为沿着流线方向的一维流动，流管之间的物质交流将不再受对流的影响。②流管内流量恒定，因此高流速的位置流网单元较密，低流速处流网单元疏，即流网单元格可以较好的自适应地层及渗流场非均质对单元疏密的要求。.（4）建立了基于两相流理论的管涌流固耦合双流体模型。将管涌中移动的固体颗粒作为拟流体，在单元内，分别对液相和固相根据质量守恒定律以及动量定理建立起各自的连续性方程以及动量方程，考虑液固两相的耦合作用，得到管涌发展的双流体模型；采用分步求解的方法进行模型的解耦，在求解液相运动时，对传统方法进行了改进，提出了液相运动求解的MSIMPLE算法。通过分析管涌过程中水头、水力梯度、颗粒流失率、颗粒流失量、剩余颗粒密度、孔隙率、渗透系数、渗透流速等参数随管涌展的变化情况，对管涌的发展规律进行了总结；并通过对算例的模拟与对比，对建立的模型进行验证。