利用CFD-DEM方法对循环水力反作用作用下的颗粒土壤中的渗流现象进行微观研究

《European Journal of Environmental and Civil Engineering》：Microscopic investigation on suffusion in granular soil subject to cyclic hydraulic reversal using CFD-DEM

本研究通过耦合计算流体动力学（CFD）与离散元法（DEM），探讨水头反转对级配不良土体内侵蚀的影响。结果表明，水头反转会因土体微观结构破坏和细颗粒迁移导致额外质量损失，且随反转比和梯度水平增加而加剧。从颗粒速度场、堵塞系数及应变能角度分析，水头反转通过破坏接触力链和减少颗粒堵塞加剧侵蚀。研究为水工结构抗循环侵蚀提供了理论支撑。

　　

摘要

在水力结构的使用寿命期间，由于地下水位反复变化，可能会遇到水力反向现象。同时，其基础和填充物内部常常会出现内侵蚀（渗流）现象。然而，水力反向对渗流的影响尚未得到充分理解，尤其是在微观层面上土壤颗粒的迁移模式方面。本研究采用耦合计算流体动力学（CFD）和离散元方法（DEM）来研究受到水力反向作用的颗粒土壤的渗流现象。在经历一段时间的单向侵蚀后，对具有不同粒级分布的土壤样本施加交替的正负水力梯度。研究结果表明，水力反向会由于土壤微观结构的破坏和细颗粒的重新分布而导致额外的质量损失。反向比率和梯度水平越高，质量损失越显著。随后从颗粒速度场、堵塞系数和应变能的角度分析了水力反向的影响。特别是从微观层面探讨了梯度循环对力链的破坏作用以及颗粒堵塞的消除过程。研究发现，由于水力循环导致接触力链的退化，土壤可能更容易受到侵蚀。本研究的结果有助于加深对水力结构中渗流现象的理解，为保护结构免受循环侵蚀和预防工程灾害提供了依据。