水動力作用下土體結構破壞和致災機理研究

項目摘要

水動力作用往往造成土體結構破壞（如庫岸滑坡和堤壩潰決），導致嚴重的自然或工程水環境災害。水動力與土體結構的相互作用、水滲流導致的土體介質變形和破壞是其中的關鍵科學問題。但由於以往的研究更多地關注工程實際問題的具體特點，迄今仍缺乏對這一共性科學問題的深入研究，尚無具有堅實力學基礎的預報理論。為此，本項目將重點研究水土混合介質的滲流和強度等力學特性的變化規律，揭示在水滲流作用下土體結構破壞的力學機制，提出水動力與土體結構相互作用的耦合建模方法。以庫岸滑坡和堤壩潰決為對象，研究這類典型水環境災害從孕育到發生的臨界條件的診斷方法和可能的控制措施，為減輕和防治這類水環境災害提供一定的科學依據。本項目通過對水環境災害共性科學問題的研究，將促進力學與水利學科的交叉與融合，進一步深化對多相、多組分、多過程、多尺度力學問題的認識，豐富和發展環境力學這一新興學科的內容、方法和理論。

結題摘要

水動力作用往往造成土體結構破壞，如：庫岸滑坡、堤壩潰決等，導致嚴重的自然或工程災害。水動力與土體結構的相互作用、滲流導致的土體變形和破壞是其中的關鍵科學問題。以往更關注工程問題的具體特點，迄今仍缺乏對這一共性科學問題的深入研究，尚無具有堅實力學基礎的預報理論。本項目重點研究水土混合介質的力學特性，揭示滲流作用下土體結構破壞的力學機制，發展水動力與土體結構相互作用的耦合建模方法，研究庫岸滑坡和堤壩潰決這類典型水環境災害孕育和發展過程，發生的臨界條件。四年來，通過理論分析、實驗研究、物理建模、數值模擬等途徑，圓滿完成了計畫任務，在基礎數據積累、複雜含水土體力學特性以及水土耦合的理論、機理與建模等方面取得顯著進展，同時對我國典型滑坡、潰壩實例開展工程套用研究，取得如下成果: 1. 提出了數值三軸儀的概念，並採用改進的離散元方法，從土體細觀結構入手，研究了土體的巨觀力學特性；提出了裂隙介質巨觀特性的統計描述方法和裂隙網路等效滲透率張量的算法；採用室內實驗，研究了顆粒級配特性、乾密度、粘性土含量等對粘聚力、摩擦角的影響規律。2.採用室內實驗，研究了堤壩在水流作用下的沖刷破壞機制，並建立了水流與堤壩潰決過程的雙層積分耦合模型。針對管涌、流土導致的堤防潰決問題，建立了滲透破壞導致土體流失過程的物理模型，分析了滲透破壞導致堤防垮塌的機理。詳細分析了土體特徵參數、降雨、庫水位漲落對邊坡穩定性的影響規律，並建立了降雨/庫水位漲落與庫岸邊坡失穩的耦合動力學模型。3. 作為研究案例，成功模擬了唐家山堰塞壩的潰決過程；分析了重慶汪家院子、農機技校、萬州花園三個典型滑坡體的滲流場及穩定性；研究了長河壩水電站孔隙水、土體、結構的耦合作用及其對壩體穩定性的影響。4. 積累了大量有關潰壩和滑坡的實驗和現場觀測數據，形成了數據集，包括：岩土體特性、三峽地區滑坡區水文地質環境監測、唐家山堰塞體潰決過程、西南地區若干水電站壩基地質和壩工設計以及潰壩水槽試驗等數據，可供後續進一步研究所利用。5.發表了學術論文85篇，其中SCI收錄的期刊論文23篇，大會邀請報告6篇。項目組成員吳夢喜獲中國電力建設集團有限公司（部級）科技進步三等獎。項目通過對水文災害中水土耦合這一共性科學問題的研究，促進了力學與水利學科的交叉與融合，豐富和發展了環境力學學科內容、方法和理論，為應對重大自然災害早期預警和減災策略提供科學依據

水動力作用下土體結構破壞和致災機理研究

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