含贯通裂缝的软弱夹层受水力冲刷破坏的水深研究
|
摘要
为研究水流对含贯通裂缝软弱夹层的冲刷效应,对含贯通裂缝的软弱夹层建立了无限延伸的径流-渗流耦合水力冲刷模型。该模型用Navier-Stokes方程描述裂缝通道中的裂缝水流,用Brinkman-extended Darcy方程描述软弱夹层中岩土体渗流,然后根据不同介质交界面处流速相等及剪应力连续的边界条件来推求各个介质中的流速分布。根据土颗粒起动破坏时的流速与土颗粒受力的数学关系,推导出裂缝底部土颗粒起动时的临界起动速度;考虑底部土颗粒受水流冲刷时的摩阻效应,结合径流-渗流耦合水力冲刷模型,得出裂缝通道底部的土颗粒受水流冲刷破坏时的临界水深。分析表明,临界水深随着颗粒的重度和颗粒间的黏聚力的增大而增大,随着裂缝通道的坡度、岩土体的孔隙率和渗透率的增大而减小。
In order to study the scouring effect of water flow on the weak interlayer with continuous cracks, an infinitely extended runoff-seepage coupled hydraulic scouring model is established. The model uses the Navier-Stokes equation to describe the fracture flow in the fracture channel, and uses the Brinkman-extended Darcy equation to describe the seepage of the rock and soil in the weak interlayer. Then, based on the boundary conditions of equal flow velocity and continuous shear stress at the interface of different media, the velocity distribution in each medium is derived. According to the mathematical relationship between the incipient flow velocity and the force, the critical incipient velocity of the soil particles at the bottom of the crack is derived. Considering the friction effect of the bottom soil particles washed by the water flow and combined runoff-seepage coupled hydraulic erosion model, solving the critical depth of the soil particles at the bottom of the crack channel when washed by water flow. The analysis shows that the critical water depth increases with the weight of the particles and the cohesive force between the particles, and decreases with the slope of the crack channel, the porosity and permeability of the rock mass.
In order to study the scouring effect of water flow on the weak interlayer with continuous cracks, an infinitely extended runoff-seepage coupled hydraulic scouring model is established. The model uses the Navier-Stokes equation to describe the fracture flow in the fracture channel, and uses the Brinkman-extended Darcy equation to describe the seepage of the rock and soil in the weak interlayer. Then, based on the boundary conditions of equal flow velocity and continuous shear stress at the interface of different media, the velocity distribution in each medium is derived. According to the mathematical relationship between the incipient flow velocity and the force, the critical incipient velocity of the soil particles at the bottom of the crack is derived. Considering the friction effect of the bottom soil particles washed by the water flow and combined runoff-seepage coupled hydraulic erosion model, solving the critical depth of the soil particles at the bottom of the crack channel when washed by water flow. The analysis shows that the critical water depth increases with the weight of the particles and the cohesive force between the particles, and decreases with the slope of the crack channel, the porosity and permeability of the rock mass.
引文
[1] 钱海涛, 秦四清, 马平. 重力坝坝基沿软弱结构面滑动失稳的非线性机制[J]. 工程地质学报, 2006,(3):307-313.
[2] 李天一, 徐进, 王璐,等. 高孔隙水压力作用下岩体软弱结构面(带)力学特性的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2012,31(S2):3 936-3 941.
[3] 张农, 李桂臣, 许兴亮. 顶板软弱夹层渗水泥化对巷道稳定性的影响[J]. 中国矿业大学学报, 2009,38(6):757-763.
[4] 张社荣, 谭尧升, 王超,等. 多层软弱夹层边坡岩体破坏机制与稳定性研究[J]. 岩土力学, 2014,35(6):1 695-1 702.
[5] 曹运江, 黄润秋, 唐辉明,等. 某水电站高边坡煤系软弱结构面流变特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2008,(S2):3 732-3 739.
[6] 王保平. 公路岩体软弱结构面抗剪强度参数试验研究[J]. 交通科技, 2011,(6):43-46.
[7] 周辀. 地震作用下斜坡岩体软弱夹层中空隙气体效应的研究[D]. 成都:成都理工大学, 2015.
[8] 衡帅, 杨春和, 郭印同,等. 层理对页岩水力裂缝扩展的影响研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2015,34(2):228-237.
[9] 王周锋, 郝瑞娟, 杨红斌,等. 水岩相互作用的研究进展[J]. 水资源与水工程学报, 2015,26(3):210-216.
[10] 曹敦履, 范中原. 软弱层(带)的渗流稳定性[J]. 长江水利水电科学研究院院报, 1986,(2):61-69.
[11] 李守定, 李晓, 张年学,等. 三峡库区宝塔滑坡泥化夹层泥化过程的水岩作用[J]. 岩土力学, 2006,(10):1 841-1 846.
[12] 杨宝全, 张林, 陈媛,等. 高拱坝坝肩软弱结构面HM耦合效应试验研究[J]. 防灾减灾工程学报, 2017,37(4):636-643.
[13] 叶合欣, 董明, 董海洲. 软弱结构面水流冲刷形成集中渗漏通道机制研究[J]. 防灾减灾工程学报, 2011,31(2):173-179.
[14] 王永军. 心墙土料裂缝冲刷试验研究[J]. 水利与建筑工程学报, 2008,(1):12-14.
[15] 党进谦, 马晓婷, 孙仲林, 等. 分散性对心墙土料裂缝冲刷影响的试验研究[J]. 水利学报, 2012,43(9):1 103-1 107.
[16] 马飞英, 刘全稳, 王林,等. 单相水流阶段煤层裂缝中沉积煤粉的起动[J]. 煤炭学报, 2016,41(4):917-920.
[17] 刘杰. 无黏性土层之间渗流接触冲刷机理试验研究[J].水利水电科技进展,2011,31(3):27-30.
[18] 杨玉宝, 潘毅, 徐振山,等. 现浇型生态混凝土护岸抗水力冲刷性能试验研究[J]. 水利水电技术, 2017,48(11):122-127.
[19] 李国敏, 余明辉, 陈曦,等. 均质土岸坡崩塌与河床冲淤交互过程试验[J]. 水科学进展, 2015,26(1):66-73.
[20] 余明辉, 申康, 吴松柏,等. 水力冲刷过程中塌岸淤床交互影响试验[J]. 水科学进展, 2013,24(5):675-682.
[21] 杨令强, 练继建, 陈祖坪. 软弱夹层的接触问题与强度问题探讨[J]. 水利水电技术, 2002,(6):17-19
[22] 林兰生. 软弱夹层的工程特性[J]. 水力发电学报, 1983,(3):58-64.
[23] 吴持恭. 水力学:上册[M].4版. 北京: 高等教育出版社, 2008.
[24] Neale G, Nader W. Practical significance of brinkman's extension of Darcy's law: coupled parallel flows within a channel and a bounding porous medium[J]. Canadian Journal of Chemical Engineering, 2009,52(4):475-478.
[25] 韩其为. 泥沙起动规律及起动流速[M]. 北京:科学出版社, 1999.
[2] 李天一, 徐进, 王璐,等. 高孔隙水压力作用下岩体软弱结构面(带)力学特性的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2012,31(S2):3 936-3 941.
[3] 张农, 李桂臣, 许兴亮. 顶板软弱夹层渗水泥化对巷道稳定性的影响[J]. 中国矿业大学学报, 2009,38(6):757-763.
[4] 张社荣, 谭尧升, 王超,等. 多层软弱夹层边坡岩体破坏机制与稳定性研究[J]. 岩土力学, 2014,35(6):1 695-1 702.
[5] 曹运江, 黄润秋, 唐辉明,等. 某水电站高边坡煤系软弱结构面流变特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2008,(S2):3 732-3 739.
[6] 王保平. 公路岩体软弱结构面抗剪强度参数试验研究[J]. 交通科技, 2011,(6):43-46.
[7] 周辀. 地震作用下斜坡岩体软弱夹层中空隙气体效应的研究[D]. 成都:成都理工大学, 2015.
[8] 衡帅, 杨春和, 郭印同,等. 层理对页岩水力裂缝扩展的影响研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2015,34(2):228-237.
[9] 王周锋, 郝瑞娟, 杨红斌,等. 水岩相互作用的研究进展[J]. 水资源与水工程学报, 2015,26(3):210-216.
[10] 曹敦履, 范中原. 软弱层(带)的渗流稳定性[J]. 长江水利水电科学研究院院报, 1986,(2):61-69.
[11] 李守定, 李晓, 张年学,等. 三峡库区宝塔滑坡泥化夹层泥化过程的水岩作用[J]. 岩土力学, 2006,(10):1 841-1 846.
[12] 杨宝全, 张林, 陈媛,等. 高拱坝坝肩软弱结构面HM耦合效应试验研究[J]. 防灾减灾工程学报, 2017,37(4):636-643.
[13] 叶合欣, 董明, 董海洲. 软弱结构面水流冲刷形成集中渗漏通道机制研究[J]. 防灾减灾工程学报, 2011,31(2):173-179.
[14] 王永军. 心墙土料裂缝冲刷试验研究[J]. 水利与建筑工程学报, 2008,(1):12-14.
[15] 党进谦, 马晓婷, 孙仲林, 等. 分散性对心墙土料裂缝冲刷影响的试验研究[J]. 水利学报, 2012,43(9):1 103-1 107.
[16] 马飞英, 刘全稳, 王林,等. 单相水流阶段煤层裂缝中沉积煤粉的起动[J]. 煤炭学报, 2016,41(4):917-920.
[17] 刘杰. 无黏性土层之间渗流接触冲刷机理试验研究[J].水利水电科技进展,2011,31(3):27-30.
[18] 杨玉宝, 潘毅, 徐振山,等. 现浇型生态混凝土护岸抗水力冲刷性能试验研究[J]. 水利水电技术, 2017,48(11):122-127.
[19] 李国敏, 余明辉, 陈曦,等. 均质土岸坡崩塌与河床冲淤交互过程试验[J]. 水科学进展, 2015,26(1):66-73.
[20] 余明辉, 申康, 吴松柏,等. 水力冲刷过程中塌岸淤床交互影响试验[J]. 水科学进展, 2013,24(5):675-682.
[21] 杨令强, 练继建, 陈祖坪. 软弱夹层的接触问题与强度问题探讨[J]. 水利水电技术, 2002,(6):17-19
[22] 林兰生. 软弱夹层的工程特性[J]. 水力发电学报, 1983,(3):58-64.
[23] 吴持恭. 水力学:上册[M].4版. 北京: 高等教育出版社, 2008.
[24] Neale G, Nader W. Practical significance of brinkman's extension of Darcy's law: coupled parallel flows within a channel and a bounding porous medium[J]. Canadian Journal of Chemical Engineering, 2009,52(4):475-478.
[25] 韩其为. 泥沙起动规律及起动流速[M]. 北京:科学出版社, 1999.