充气截排水影响因素数值模拟

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104低温建筑技术2015年第12期(总第210期)·冻土与地基基础·DOI：10．13905／j．cnki．dwjz．2015．12．037充气截排水影响因素数值模拟钱文见，尚岳全，朱森俊(浙江大学建筑工程系，杭州310058)【摘要】充气截排水通过向坡体后缘注入高压气体驱替部分地下水，形成非饱和区域，降低土体的渗透性，大大减少边坡后缘向边坡前缘的入渗量，降低潜在滑坡体内地下水位。土体中多孔介质的多相渗流问题很复杂，模拟技术往往是一种重要的研究方法。本次利用岩土工程软件Ceo—Studio对影响充气截排水的部分因素进行了模拟，研究了充气点上覆土层厚度以及渗透性大小对截排水效果的影响。结果表明：模拟结果显示，充气截排水确实能起到截排后缘来水，降低坡体地下水位线的作用；充气点上覆土层在一定厚度范围内，厚度越大，其效果越好。超过该厚度范围，则截排水效果反而变差；充气点上覆土层渗透性对截排水效果有重要影响，且渗透性越小，截排水效果越好。【关键词】滑坡；地下水；充气截排水；数值模拟【中图分类号】TU471．5【文献标识码】B【文章编号】1001—6864(2015)12—0104—030引言向潜在滑坡区的入渗量，从而提高坡体的稳定性。基降雨入渗导致坡体地下水位上升进而诱发滑坡于非饱和土渗流理论，通过向坡体后缘一定区域内充的发生已经成为共识。降雨入渗主要以两种方式对边气，在滑坡区后缘形成非饱和带，可快速构建截水帷坡稳定性产生影响⋯：①雨水对边坡土体起到加载作幕，达到截排水目的，这对于滑坡抢险工作尤为重要，用，使得土体含水量增加，重度变大，使得滑移面的剪可为滑坡治理工程的实施争取宝贵时间。应力增大；②改变坡体的力学性能，导致内聚力下降，充气截排水技术就是通过在边坡的中上部潜在抗剪强度降低。因此，长期以来人们一直很重视边坡滑坡区外围，钻探形成压气孔，向坡体压人高压气体，排水工作。传统的排水措施如地表排水沟、排水盲沟、形成经气水置换的局部非饱和区域，减少上游坡体地水平排水孔和地下排水洞等，都是利用水的重力势能，下水流向潜在滑坡区。目前充气截排水技术仍处于探将高水位的水排到低位区。对边坡的排水环境要求较索研究阶段，充气点上覆土层对截排水效果的影响是高。实际工程中，许多边坡很难提供有利的地形条件，需要解决的内容。由于土层是由三相体构成的复杂混使得排水措施的有效性难以保证，也无法控制截排水合体，当前对岩土体中气、水渗流问题的研究通常采用的速度来形成快速有效的截排水系统。数值模拟的方法。本次正是借助数值模拟针对影非饱和土渗流理论研究’相对比较成熟，许迪响截排水效果的上覆土层进行分析探讨。和A．Memoud_矛0用经典的土壤持水模型CP推得1气液两相流相关理论了导水率随饱和度的变化关系式，提出土的渗透系数土体是由气液固组成的复杂三相体，气体和液体具有随饱和度降低而快速下降的性质，因此，可以根据在土体中的流动遵循相应的流动方程。在稳态以及瞬此理论往土中注气驱替部分地下水形成非饱和区域态下，液体在土壤空隙中的流动是遵循达西定律的。发挥其阻渗的作用。这种构思在相关领域的应用研究达西定律微分形式为：中已有初步成果，如含水层地下储气库的建造、曝kk．：一Vcp(1)气法处理土壤以及地下水中污染物、压气新奥法隧f道施工等领域都是利用气排水原理，其核心思想就式中，为势函数(即相应的孔隙压力)；为绝对是通过在饱和土体内充气，气体驱替土体孔隙中的水，渗透率；为相对渗透率；为黏度，i=或g，分别代使饱和土变成非饱和土。表水相、气相。式中的相对渗透率与绝对渗透率满足如许多边坡后缘具有广阔的汇水区域，降雨产生大下关系：量雨水都以入渗方式到达坡体前缘，提高潜在滑坡区k：(2)的地下水线。利用气排水原理在潜在滑坡区后缘充气[(1+)]构建非饱和截水帷幕，降低土体渗透性，减少坡体后缘式中，为基质吸力；n，n，m为拟合经验参数，其【基金项目]国家自然科学基金资助项目(41372277)；“十二五”国家科技支撑计划(1220BAK10B06) 106低温建筑技术2015年第l2期(总第210期)在滑坡区的地下水位线降低到一定程度。如果土层2通过以上对上覆土层厚度以及渗透性大小对截很厚，则土层2仍会浸在水位线里面，由于土层2的渗排水效果影响的分析，可以为充气截排水中充气点位透性很小，加上充气时间相对较短，较难将土中的水分置的选择提供指导。驱走，反而因为充气压力作用抬升了水位线，产生图23结语中所示结果。因此在实际中充气点位置选择时，要考充气截排水作为一项治理边坡的辅助新技术，具虑上覆土层厚度对截排水效果的影响，避免因为土层有广阔的发展前景。在土体二项渗流理论的基础上，厚度过后，产生不利的后果。利用岩土工程软件Geo—Studio对影响充气截排水效2．2上覆土层的渗透性对截排水效果的影响。果的上覆土层进行了研究分析，可以为充气截排水的渗透性作为影响坡体渗流的主要因素，显然也是进一步发展提供帮助。充气截排水所要考虑的关键因素。固定土层1的渗透本次数值模拟得到的主要结论如下：性，通过改变土层2的渗透性大小，来研究充气点上覆(1)模拟结果表明，充气截排水确实能起到截土层渗透性对充气截排水的效果。先令土层2和土层排后缘来水，降低坡体地下水位线的作用。1取一样的参数，之后土层2依次取渗透性为1e-5、(2)充气点上覆土层厚度是影响截排水效果的1e-6、1e-7、le．8cm／s。来研究上层土的渗透性大小对一个重要因素。存在尺度效应，一定厚度范围内，厚度充气截排水的效果。气压仍取为230Kpa时。充气一越大，其效果越好。超过该厚度范围，则截排水效果反段时间后，潜在滑坡区的地下水位线均出现明显下降。而变差。将不同渗透性下，充气后的地下水位线与自由渗流水(3)充气点上覆土层渗透性对截排水效果有重位线进行对比，绘制曲线图3所示。要影响，且渗透性越小，截排水效果越好。参考文献幢[1]孙永帅，贾苍琴，王贵和．降雨对边坡稳定性影响研究综述[J]．施工技术，2012，41(17)：63—66．[2]JBear，李竞生，陈崇希．多孔介质流体动力学[z]．1983：522—568．[3]弗雷德隆德FredlundDelwynG，拉哈尔佐RahardjoHarianto，0陈仲颐．非饱和土土力学[M]．北京：中国建筑工业出版社，水平距离，m1997．—一-_4次渗透系数的水位线高度[4]许迪，MermoudA．从土壤持水数据估算导水率方法的比较分I一一5次渗透系数的水位线高度析[J]．水土保持学报，2001，(S1)：125—129．一_6次渗透系数的水位线高度[5]展长虹，焦文玲，廉乐明，等．利用含水层建造地下储气库一一7次渗透系数的水位线高度[J]．天然气工业，2001，(4)：88—91．-一8次渗透系效的水位线高度一一自由渗流的水位线高度[6]张英，姜斌，黄国强，等．地下水曝气过程中气体流型的实验研究[J]．化工进展，2003，22(z1)：246—251．图3上覆土层渗透性大小对截排水效果影响[7]刘辉，李仲奎，廖宜，等．压气新奥法隧道施工中的渗流分析[J]．岩石力学与工程学报，2006，(3)：584—589．由图3可以得知：[8]张丙印，朱京义，王昆泰．非饱和土水气两相渗流有限元数值模型[J]．岩土工程学报，2002，(6)：701—705．(1)充气确实能够降低潜在滑坡区的地下水位线。[收稿日期]2015-09—21(2)上覆土层渗透性越小，其截排水效果越好，[作者简介]钱文见(1991一)，男，河南周口人，硕士研究生当渗透性降低到一定程度时，结果趋于稳定。从事岩土工程灾害防治技术研究。其原因有两方面：边坡内的水在充气压力作用下经坡体排出形成地表径流，当潜在滑坡区表面土层的渗透性较小时，形成的地表径流大部分排出边坡，基本不再渗回到坡体中补充地下水；另外上覆土层的渗透性较小时，会对充气点产生的气压产生一定的封气作用，提高了充气效果。