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基于雷诺数的砂砾石管涌过程判别

王宇 谷艳昌 王士军 段祥宝

王宇,谷艳昌,王士军,等. 基于雷诺数的砂砾石管涌过程判别[J]. 水利水运工程学报,2022. doi:  10.12170/20211014001
引用本文: 王宇,谷艳昌,王士军,等. 基于雷诺数的砂砾石管涌过程判别[J]. 水利水运工程学报,2022. doi:  10.12170/20211014001
(WANG Yu, GU Yanchang, WANG Shijun, et al. Discriminating piping process in sandy gravels based on Reynolds number[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(in Chinese)) doi:  10.12170/20211014001
Citation: (WANG Yu, GU Yanchang, WANG Shijun, et al. Discriminating piping process in sandy gravels based on Reynolds number[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(in Chinese)) doi:  10.12170/20211014001

基于雷诺数的砂砾石管涌过程判别

doi: 10.12170/20211014001
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51979175);国家重点研发计划资助项目(2018YFC0407106);江苏省高等学校基础科学(自然科学)研究项目(21KJB560015)
详细信息
    作者简介:

    王 宇(1987—),男,江苏泗阳人,讲师,博士,主要从事岩土工程渗流分析与控制研究。E-mail:wangyu1987710@aliyun.com

  • 中图分类号: TU41

Discriminating piping process in sandy gravels based on Reynolds number

  • 摘要: 管涌破坏是发生堤坝险情乃至溃决的主要原因之一。传统渗流力学涉及管涌机理、发展过程及控制措施,而管涌过程定量判别及非线性特征研究尚显不足。开展不同级配砂砾石管涌试验,指出细颗粒含量及均匀程度是影响砂砾石管涌破坏的主要因素;分析管涌破坏过程中水流状态变化规律,提出了基于雷诺数Re的管涌过程判别方法。试验结果表明:砂砾石管涌过程可定量地分为孕育阶段(Re<0.85)、形成阶段(0.85≤Re≤5.00)、发展阶段(5.00<Re≤50.00)和破坏阶段(Re>50.00)。孕育和形成阶段,可动细颗粒启动并缓慢调整,水力坡降与渗流速度呈线性关系,黏阻力占主控作用,渗流运动符合达西定律;发展和破坏阶段,渗流通道形成并逐步扩展,可动细颗粒快速流失,渗流速度变化较大,惯性力占主控作用,水力坡降与渗流速度呈远离平衡态的非线性关系,层流逐渐向紊流过渡,可用二次方程描述。研究结果可为管涌险情科学预报和应急处置提供决策依据。
  • 图  1  管涌试验装置

    Figure  1.  Experimental apparatus of piping

    图  2  天然砂砾石和室内配制砂砾石颗粒级配曲线

    Figure  2.  Grain-size distribution curves of natural sandy gravels and indoor artificial sandy gravels

    图  3  土样C测压管渗压水位过程线

    Figure  3.  Process curve of water head of different piezometers located in soil number C

    图  4  土样C不同测点水力坡降随渗流速度变化曲线

    Figure  4.  Process curve between hydraulic gradient and seepage flow velocity of different parts in soil number C

    图  5  土样C不同测点渗透系数随水力坡降变化曲线

    Figure  5.  Process curve between hydraulic gradient and permeability of different parts in soil number C

    图  6  土样1测压管渗压水位过程线

    Figure  6.  Process curve of water head of different piezometers located in soil number 1

    图  7  土样1不同测点水力坡降随渗流速度变化曲线

    Figure  7.  Process curve between hydraulic gradient and seepage flow velocity of different parts in soil number 1

    图  8  土样1不同测点渗透系数随水力坡降变化曲线

    Figure  8.  The process curve between hydraulic gradient and permeability of different parts in soil number 1

    图  9  土样2测压管渗压水位过程线

    Figure  9.  Process curve of water head of different piezometers located in soil number 2

    图  10  土样2不同测点水力坡降随渗流速度变化曲线

    Figure  10.  Process curve between hydraulic gradient and seepage flow velocity of different parts in soil number 2

    图  11  土样2不同测点渗透系数随水力坡降变化曲线

    Figure  11.  Process curve between hydraulic gradient and permeability of different parts in soil number 2

    图  12  基于Re的管涌全过程分段函数

    Figure  12.  Piecewise function of piping process based on Reynolds

    表  1  试验土样物理力学参数

    Table  1.   Physical and mechanical parameters of experimental soils

    试样编号不均匀
    系数
    d50/
    mm
    孔隙率干密度/
    (g·cm−3)
    渗透系数/
    (cm·s−1)
    试样编号不均匀
    系数
    d50/
    mm
    孔隙率干密度/
    (g·cm−3)
    渗透系数/
    (cm·s−1)
    天然
    土样
    A 81.25 20.00 0.26 1.96 3.35×10−2 人工
    土样
    1 58.80 10.00 0.24 2.02 3.35×10−2
    B 150.00 16.00 0.29 1.89 3.20×10−2 2 78.30 14.00 0.21 2.17 4.00×10−3
    C 73.30 12.00 0.22 2.08 1.10×10−2 3 35.00 10.20 0.22 2.04 2.39×10−3
    D 66.70 20.00 0.24 2.02 1.02×10−2 4 80.00 7.00 0.20 1.93 6.55×10−3
    E 45.70 11.00 0.27 1.94 1.10×10−2
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    表  2  管涌过程坡降及时间变化

    Table  2.   Gradient and time changes of piping process

    试样编号临界坡降破坏坡降连通时间/min破坏时间/h试样编号临界坡降破坏坡降连通时间/min破坏时间/h
    天然
    砂砾石
    A 0.23 0.29 35 5.5



    1 0.22 0.46 40 6.5
    B 0.44 0.51 38 6.0 2 0.43 0.58 25 6.0
    C 0.39 0.48 30 5.0 3 0.46 0.60 30 6.5
    D 0.22 0.32 32 6.5 4 0.48 0.63 30 6.0
    E 0.36 0.45 36 7.0
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    表  3  不同细粒含量下砂砾石渗透破坏过程对比结果

    Table  3.   Comparative results of sandy gravels seepage failure process under different fine particle content

    试样粒径小于2 mm细粒质量分数/%渗透系数/(cm·s−1)临界坡降破坏坡降连通时间/min
    1183.35×10−20.220.4640
    C231.10×10−20.390.4830
    2254.00×10−30.430.5825
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-10-14
  • 网络出版日期:  2022-06-28

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