摘要
城市供水管网漏损、爆管会引起上部土体的侵蚀破坏，严重时会导致地面塌陷等事故的发生，不仅对基础设施造成重大损害，还严重威胁到人们的生命安全。由于土体的不透明性，使传统的实验装置不仅无法观察到土体内部真实的发展情况，侵蚀过程也受到玻璃壁面的影响，导致实验结果存在误差。因此本文旨在利用可视化土体流化模拟实验装置观察土体内部真实的三维流化过程以及消除边壁效应的影响，对流化孔洞的形成过程进行分析计算，加深对漏损管道水土相互作用机理的理解。 实验利用透明土代替真实砂土，结合光学技术实现了土体内部可视化效果。通过逐渐增大流量的方式观察了孔洞的发展过程，得到了不同状态下的流化孔洞的三维图像;基于粒子图像测速(PIV)技术分析了颗粒的运动态势，发现颗粒由初始时总体向上运动逐渐发展为两侧旋涡流动状态，并伴随颗粒回流现象;通过对孔洞高度和面积的分析发现流化孔洞的发展存在速度逐渐加快的三个阶段:流化初始阶段、流化主体阶段以及流化后期阶段;在流化分区方面，结合数字图像处理技术发现了在流化孔洞区域与静止区域之间存在着一个“流化过渡区”，该区域决定了最终土体受射流破坏的范围大小。 本文在土体上部增设了一个荷载装置来模拟现实路面和代替部分土体荷载，并将颗粒粒径、孔隙率及荷载大小作为实验变量，探究其对流量、管内压强、流化孔洞、过渡区域以及破坏范围等的影响。结果表明粒径和上部荷载越大以及孔隙率越小可以增加流化的难度，但大粒径和小孔隙率会导致土体破坏范围的增大，且粒径越大，流量对土体破坏范围的影响越明显，因此在管道覆土选择时应综合两者进行考虑;而流化孔洞的直径和流化区域角度受实验变量的影响不大。 在理论分析方面，本文重点对流化破坏范围进行了分析，利用量纲分析法得到了一条表现不同流量下过渡区域边界线共性的无量纲曲线以及土体破坏范围的计算公式，并根据受力平衡得到了初始流化流量的计算模型。
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