居住在水道附近的人们可以避免通过建筑路堤的洪水造成的破坏性影响，这可以使用银行保护结构更安全。但是，诸如土壤压力，水位波动和地下水渗漏等因素会导致银行保护结构变形并最终崩溃。为了更好地理解这个问题，研究人员对中国长江河内的银行保护结构进行了建模，从而使他们能够预测结构的位移和变形。
保护长江附近的路堤
长江是全球第三河和亚洲最长的河流，越过6300公里。在整个历史上，人类一直依靠这条河来灌溉，运输和许多其他目的。如今，长江是世界上最繁忙的水道之一，其银行有多个主要城市。
长河。完美零的图像 - 自己的作品。获得许可CC由2.0， 通过Flickr Creative Commons。
为了保护这些城市及其居民免受洪水等问题的侵害，我们可以建造路堤并使用银行保护结构来维持其安全。银行保护结构通常使用钢板桩来支撑路堤。这些结构在水道工程，码头结构和Cofferdam发掘中有应用。
一个（部分中断的）钢板堆积。伊芙琳·西姆克（Evelyn Simak）的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 2.0， 通过Wikimedia Commons。
当这些结构变形并最终由于河流波动等问题而崩溃时，可能会出现问题。为了避免这种情况并保持银行保护结构的安全性，工程师可以使用多物理模型来预测变形及其原因。
考虑到这一点，Hohai University地球科学与工程学院的研究团队使用ComsolMultiphysics®软件来分析长江牛排南京区的银行保护结构的变形。
模拟ComsolMultiphysics®中银行保护结构的变形
银行保护结构的变形受挖掘河道的土壤压力以及由于河水水平的季节性波动而导致的静液压（或水）压力的变化。这些波动反过来会导致土壤渗水和地下水位的变化，从而影响土壤的机械性能。
左：银行保护结构和周围环境。右：最终模型的网格。R. Hu和Y. Xing的图像，并从他们的乐动滚球app下载Comsol会议2016慕尼黑论文。
为了说明这些变量在预测变形时，研究人员创建了一个基于深度开挖模型在应用程序画廊中，将其与达西法律结合在一起。该模型分析了垂直于银行保护结构的钢板桩的部分，如上图所示。根据土壤的物理机械特性，桩周围的土壤具有三层。研究人员还使用了理想的弹性塑料模型和Drucker-prager产量标准。
银行保护结构。R. Hu和Y. Xing的图像，从他们的乐动滚球app下载Comsol会议2016慕尼黑海报。
研究人员的模型使用了从监测长江的水位内收集的数据，并从四个位移监测点中收集。模拟中河水的水位波动是基于此测得的数据。
左：海拔河水水平波动的监测数据。右：四个监测点的水平位移。R. Hu和Y. Xing的图像，并从他们的Comsol Conference 2016慕尼黑论文乐动滚球app下载中获取。
总体而言，研究人员的模拟有三个步骤：
- 通过考虑水位波动或河流变化来计算路堤的地下水渗水场。
- 使用降低强度方法来调整地下水表的土壤剪切强度参数。
- 通过修改后的深挖模型确定变形。
让我们看一下此模拟的结果。
评估变形的银行保护结构的仿真结果
结果表明，虽然在提早发掘过程中变形稳定，但之后它主要受水位波动的影响。例如，让我们看一下一些图，以显示银行保护结构如何受到-6 m的影响。
在这个水平上，桩侧的水头差会导致地下水排放和地下水位变化。如下所示，总压力在水位下有所不同，在静水压力和土壤压力下，开挖中间部分的结构位移相对较大。最大观察到的位移为60 mm。
左：总压力和渗水场，白线代表地下水位。右：钢板堆的位移。R. Hu和Y. Xing的图像，并从他们的Comsol Conference 2016慕尼黑论文乐动滚球app下载中获取。
如下所示，塑性变形主要位于水位深度以下的土壤的第一层中。
当河水水平为-6 m时，结构的塑性变形。R. Hu和Y. Xing的图像，并从他们的2016年慕尼黑纸上摘自其Comsol Confer乐动滚球app下载ence。
当使用监视数据找到模型的水平变形时，研究人员发现结构的主要变形是位移，并且水平位移和水位波动的变化具有良好的一致性。由于支柱在桩上的阻力，这种位移相对较小。
作为最后的兴趣点，该团队探讨了极端水位实例如何影响变形。为了实现这一目标，他们使用了水位监测数据来找到过去10年中长江河的最高（-0.3 m）和最低（-8.4 m）的水位。
极高的水位外壳有一个小的塑料区域，其塑料变形仅限于土壤的第一级，而极低的水位箱具有较大的塑料区域，该区域延伸到第三层土壤层。
在极高的水位外壳（左）和极低的水位外壳（右）中的塑料区分布。R. Hu和Y. Xing的图像，并从他们的Comsol Conference 2016慕尼黑论文乐动滚球app下载中获取。
高水位外壳的最大水平位移为25.1毫米，低水位情况为65毫米。后一个值超过项目的警告值56毫米。此外，低水位病例的最大剪切应力为18.5 MPa。这低于钢板桩的产量极限335 MPa。结果，当水位极低时，结构变形过度的可能性过多，结构崩溃的风险更高。设计银行保护结构时必须解决这一点。
钢板桩的水平位移（左）和普通的剪切应力（右）都在极高和低水位的情况下。R. Hu和Y. Xing的图像，并从他们的Comsol Conference 2016慕尼黑论文乐动滚球app下载中获取。
使用模拟分析和设计银行保护结构
研究人员通过其多物理模型，成功证实了河流的波动会影响钢板堆积在银行保护结构中的横向位移，并且塑料区分布与地下水水平深度有关。
向前迈进，团队希望通过将其结果与长期进行比较来验证和改善模型原位开发测量。通过此，他们希望为那些设计银行保护结构的人提供有用的建议。
了解有关地球力学和地下流量模拟的更多信息
- 阅读研究人员的完整论文：“”由于河流波动引起的银行保护结构变形的数值模拟“
- 浏览有关地球力学和地下流的这些博客文章：
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