上卓沟泥石流流动特性及流体—结构流固耦合数值模拟研究

甘肃省卓尼县上卓沟曾多次发生较大规模泥石流,灾害损失极其严重。为了有效治理,急需对泥石流的流动特性及拦挡结构在泥石流冲击荷载下的结构响应进行深入研究。本文首先利用图形建模软件RHINO建立上卓沟三维沟谷模型,泥石流流变模型选用宾汉流体模型,在合理确定各计算参数及边界条件的基础上应用CFX对上卓沟泥石流进行了三维数值模拟,得到流速等流场数据。将所得流场数据导入ANSYS进行泥石流与拦挡结构的双向流固耦合分析,得到了泥石流在沟谷内的运动规律及拦砂坝的应力和位移,为工程设计提出了建议,可为类似工程提供参考。     

基于耦合概率密度方法的河渠突发水污染溯源

以水动力计算为基础,依据正向浓度概率密度与逆向位置概率密度的耦合关系,构建了以污染源位置和释放时间为参数的相关性优化模型,并利用微分进化算法实现了模型的求解。在此基础上,根据污染物正向浓度概率密度函数构建优化模型确定了污染物强度。耦合概率密度方法将突发水污染溯源问题转换为两个最小值优化问题,原理简单,求解方便,实现了污染源参数的解耦。在求解优化模型时,将梯度概念引入到微分进化算法中,提高了搜索效率。将所提出的溯源方法运用于仿真实验案例以及南水北调中线应急示范工程实例,结果表明,模型溯源效果好、模拟精度高,溯源结果对于河渠突发水污染事件应急处置具有一定指导意义。     

两种动水压力模型重力坝地震动力损伤比较分析

采用基于位移格式的流体单元与弹塑性损伤本构的固体单元分析了坝体—水库耦合系统在强震下库水对重力坝的动力响应、坝体内部应力分布以及损伤的影响。对流固耦合模型与附加质量模型的坝体损伤分析结果进行比较发现,附加质量模型不仅对上游坝面的动水压力有放大作用,而且对坝体的其他动力响应,如位移、加速度,也有不同程度的放大作用。同时,附加质量模型对地震中坝体内部应力及损伤也有一定的放大作用。可见,流固耦合模型分析大坝—水库系统相互作用更接近现实情况。     

土体加固对筒型基础承载特性的影响研究

为正确评估软体地基加固对提高筒型基础承载力的影响,建立考虑土体渗流~应力耦合效应的三维数值模型,模拟了筒顶负压抽水的土体加固过程,分析了筒内土体加固对筒型基础承载特性的影响。研究结果表明:在负压加固作用2.5 d后,筒顶沉降趋于平缓,孔隙负压扩散范围广,筒内土孔隙比下降幅度大,加固效果较好。此时,筒土之间接触更为紧密,极端荷载下筒顶脱开率大幅下降。在单一加载情况下,土体加固提高竖向设计承载力42.6%,水平设计承载力129.2%,抗弯设计承载力69.6%,竖向极限承载力4.4%,水平极限承载力61.3%,以及抗弯极限承载力99.1%。在复合加载情况下,土体加固前后V~M、V~H、V~H~M包络线存在一定的差异,未加固土体筒基的包络曲线分布在加固后的筒基外侧。通过试验数据对计算模型进行验证,吻合良好。这意味着现有的筒型基础设计仍有较大的优化空间。     

基于耦合模型的安康库区水温水质影响研究

河流上筑坝发电将对水温、水质等生态环境产生影响。该文建立了三维水温水质耦合模型,以汉江上游安康水电站为例,选取COD(化学需氧量)和氨氮为水质指标,利用实测的水温、水质数据率定参数,对比分析单独计算和耦合计算其坝前垂向水温的差异性,模拟"引汉济渭"工程实施后逐月水温水质分布,总结耦合计算其库区水温、水质的变化规律。研究结果表明,耦合计算坝前垂向水温较单独计算反应灵敏,与库区实测水温更接近;耦合计算坝前水温在3月至9月呈弱分层状态,其余月份呈混合状态;对比不同年份的水电站下泄水温与坝址处天然水温可知,枯水年对水温影响最大,平水年次之,丰水年影响最小;坝前垂向氨氮、COD的分布规律基本与实测水温分布规律一致,受温度异重流影响,耦合计算的COD、氨氮分布规律与实际情况更相符合。     

考虑桩顶水平反力的水平受荷单桩弹塑性解析解

基于线性地基反力法和土体的弹塑性本构关系,对桩顶水平反力系数不为零时的水平受荷桩进行了研究,给出了桩顶土屈服临界荷载（水平力、弯矩）的耦合关系式。研究结果表明,当荷载大于临界荷载时,桩顶土发生塑性屈服,其塑性屈服深度随荷载的增加而增加,但其塑性区扩展速率随桩顶荷载的增加而逐渐减小。给出了弹性区与塑性区桩内力耦合的矩阵方程及其迭代求解格式;利用曲面拟合软件给出了塑性区换算深的计算公式。通过工程算例验证,证明该方法可靠快捷,便于手算,值得推广。      

流域产水产沙耦合对黄河下游河道冲淤和输沙能力的影响

在具有水沙异源特征的流域中,不同水沙来源区的来水来沙之间的关系,可以称为流域水沙藕合关系.流域水沙耦合关系通过流域侵蚀带与沉积带的耦合,会进一步影响沉积带的冲淤过程.对于黄河流域,提出以多沙粗沙区的来沙量和河口镇以上清水区的来水量之比来表示流域产水产沙搭配关系,称之为流域产水产沙耦合指标.无论是对于洪水系列还是对于年系列,黄河下游来沙系数、含沙量与流域产水产沙耦合指标之间都具有密切的关系.流域产水产沙耦合指标控制着下游河道的来沙系数、平均含沙量和最大含沙量,并进而影响河道冲淤量和河道泥沙输移比.黄河下游高含沙水流的发生与流域产水产沙耦合指标I(ws)之间有密切的关系.当I(ws)<0.314t/m3时,下游可不再发生高含沙水流.这启示我们,通过对多沙粗沙区来沙量和河口镇以上清水区来水量的控制,可以减少下游河道高含沙水流发生的频率.对于场次洪水而言,当流域产水产沙耦合指标I(ws)<0.2t/m3时,冲淤量、淤积强度变化很小,但当I(ws)>0.2t/m3以后,冲淤量、淤积强度迅速增大.本文的研究成果对于黄河流域的治理有一定的参考意义.通过对流域水沙耦合关系的调控,来减少下游河道的淤积,是一种可行的途径.     

不同尺度农业节水潜力的概念界定与耦合关系

不同尺度的农业节水潜力是当前的研究热点,国内外对节水潜力涉及的概念和内涵还没有一个统一的标准,当前对于不同尺度农业节水潜力的研究大多没有考虑尺度效应的问题。从节水潜力涉及的概念入手,对不同尺度的农业节水潜力、资源节水潜力和灌溉节水潜力,理论节水潜力和实际节水潜力进行了科学界定,同时对不同尺度农业节水潜力之间的耦合关系也进行了初步探讨,为研究不同尺度农业节水潜力提供理论基础。     

木头峪水源地廊道取水允许开采量计算

简要分析了廊道的水流特征,通过引入等效渗透系数,构建廊道取水的渗流-管流耦合模型,并用之于陕北佳县木头峪水源地廊道取水工程,确定了开采方案,同时计算了开采方案枯水期廊道取水的允许开采量,最终确定木头峪地下水廊道开采方式允许开采量为16 900 m3/d。建立的廊道取水数学模型能较好地反映廊道的水流特征。     

黏性浆液在小孔隙多孔介质中扩散的流固耦合分析

该文基于有效应力原理建立了描述黏性浆液在小孔隙多孔介质中扩散的流固耦合模型.通过对小孔隙多孔介质注浆过程中的浆液渗流场分布与固体骨架的应力应变特性的流固耦合分析,得到了各动态参数如孔隙率、应变率等的相互关系并在施工现场进行了试验.经过与施工现场试验数据对比,得到的数值分析结果与试验结果基本一致,验证了该流固耦合模型运用于注浆工程的可行性与实用性,可作为小孔隙多孔介质地层防渗注浆设计和注浆效果的初步评判.