充气形成坡体非饱和区截排地下水机理研究

论文摘要

降雨引起的坡体地下变化是滑坡的主要诱发因素。降雨通过坡面入渗和后缘渗流补给坡体地下水,对于上游存在面积广阔的汇水区域的潜在滑坡区,后缘渗流补给是地下水的主要来源。滑坡抢险过程要求快速有效阻止降雨对潜在滑体的地下水补给,但目前的边坡截排水措施面临诸多困难,探索主动高效的截排水方法仍是当前迫切之需。充气截排水方法通过注气在边坡后缘来水路径上形成局部渗透系数较低的非饱和区截水帷幕,阻断后缘地下水补给,为实现快速截排地下水提供了新思路。本文基于大型边坡模型试验和气液两相流数值分析,研究了充气非饱和区的阻水机理,得出了坡体地下水位随充气时间和充气压力的变化规律,分析了充气非饱和阻水区内高压气体扩散运移特征和气液两相渗流场特征,探究了充气非饱和区特征与截水效果间的关系。主要成果如下:（1）边坡充气后可划分为三个区域:充气非饱和区、非饱和区上游水位升高区和非饱和区下游水位下降区。充气过程可分为非饱和区形成和非饱和区基本稳定两个阶段,非饱和区在持续充气维持下可以稳定发挥截水作用,有效降低下游地下水位,距离非饱和区较近处的地下水位降低速率和降幅较大,物理模型试验中单点充气时坡体下游地下水位的平均降幅可达13.2%以上。停充后非饱和区气压快速下降但仍能在一定时间内继续截水。（2）非饱和区内高压气体扩散运移特征经历了五个阶段的变化:气相不断向水相中溶解扩散的第一阶段,出现以不流动的封闭气泡形态存在的气相的第二阶段,气相开始在小部分孔径较大的连通孔隙中流动的第三阶段,发生气体突破气相沿优势渗流通道流动的第四阶段,原有气相渗流通道孔径扩张且渗流路径增加的第五阶段。此过程中非饱和区的水-气形态特征从气封闭系统逐渐过渡为双开敞系统,最终接近水封闭系统。（3）充气截水效果受充气压力影响显著,低于进气压力时充气始终无截水效果,在大于进气压力至高于突破压力的这一范围内,截排水效果随充气压力增大而提升,但不能超过最大充气压力以避免坡体的变形破坏。（4）基于充气截排水方法二维设计简图建立了阻水比与非饱和区特征之间的关系。阻水比与非饱和区长度呈线性关系,线性系数取决于渗透系数降幅;阻水比随非饱和区宽度增加先快速增加,而后逐渐趋于稳定,增速变化及稳定阻水比取决于渗透系数降幅。物理模型试验中多点充气扩展非饱和区范围时坡体下游地下水位的平均降幅可达27.3%以上。（5）非饱和区扩展过程中,渗流场由水流为主逐渐过渡为气流为主,单点充气非饱和区的形状在二维平面上大致呈椭圆形,多点充气非饱和区呈现近似的矩形,宽度不是单点充气非饱和区的简单叠加,扩展方向因受地下水渗流影响而偏向坡脚方向。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 降雨对坡体稳定性的影响研究
•     1.2.2 边坡截排水措施及存在的问题
•     1.2.3 边坡模型试验理论及研究现状
•   1.3 充气在工程中的应用
•     1.3.1 压气法隧道施工
•     1.3.2 注气开采工艺
•     1.3.3 含水层型储气库
•     1.3.4 充气去饱和治理液化技术
•     1.3.5 地下水曝气技术
•   1.4 主要研究内容及创新点
•     1.4.1 主要研究内容
•     1.4.2 技术路线
•     1.4.3 主要创新点
• 2 充气截排水方法及其理论基础
•   2.1 充气截排水方法及其特点
•   2.2 非饱和土的水气运移特性
•     2.2.1 渗水特性
•     2.2.2 渗气特性
•     2.2.3 充气非饱和区特征
•   2.3 充气截排水方法的研究进展
•     2.3.1 理论研究进展
•     2.3.2 试验研究进展
•     2.3.3 数值研究进展
• 3 充气过程中坡体地下水位变化规律研究
•   3.1 试验模型与试验方案
•     3.1.1 试验模型
•     3.1.2 试验模型制作及预处理
•     3.1.3 充气试验方案
•   3.2 充气过程中地下水位变化的阶段性
•     3.2.1 非饱和区形成阶段地下水位变化
•     3.2.2 非饱和区基本稳定阶段地下水位变化
•     3.2.3 停止充气后的地下水位变化
•   3.3 初始地下水位对充气过程中地下水位变化的影响
•   3.4 充气压力对地下水位变化的影响
•   3.5 本章小结
• 4 充气非饱和阻水区的形成过程分析
•   4.1 边坡充气物理模型试验
•     4.1.1 试验模型
•     4.1.2 试验方案
•     4.1.3 试验结果分析
•   4.2 边坡充气形成非饱和区的过程
•     4.2.1 第一阶段
•     4.2.2 第二阶段
•     4.2.3 第三阶段
•     4.2.4 第四阶段
•     4.2.5 第五阶段
•   4.3 充气压力合理范围设计的探讨
•   4.4 本章小结
• 5 充气截水效果与非饱和区特征间关系研究
•   5.1 非饱和区特征及截水效果参数的定义
•   5.2 充气非饱和区长度对截水效果的影响
•     5.2.1 试验方案
•     5.2.2 试验结果分析
•   5.3 充气非饱和区宽度对截水效果的影响
•     5.3.1 试验方案
•     5.3.2 试验结果分析
•   5.4 本章小结
• 6 充气非饱和区阻水机理的数值分析
•   6.1 气水两相渗流基本理论
•     6.1.1 控制方程
•     6.1.2 土-水特征曲线和渗透系数函数
•   6.2 充气非饱和区的阻水机理分析
•     6.2.1 数值分析模型
•     6.2.2 非饱和区的阻水机理分析
•   6.3 多点充气非饱和区的扩展特征和截水效果
•     6.3.1 数值分析模型
•     6.3.2 多点充气下非饱和区的扩展特征
•     6.3.3 非饱和区截水效果随宽度的变化
•   6.4 本章小结
• 7 结论与展望
•   7.1 主要研究结论
•   7.2 未来研究展望
• 参考文献
• 作者简历
• 攻读博士学位期间主要研究成果
• 攻读博士学位期间参与的主要科研项目

文章来源

类型: 博士论文

作者: 谢威

导师: 尚岳全

关键词: 滑坡治理,充气截排水,非饱和阻水区,充气截水效果,模型实验,数值模拟

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,地质学,工业通用技术及设备

单位: 浙江大学

基金: 浙江省重点研发计划(2017C03006)滑坡灾害安全处置技术方法研究及工程示范

分类号: P642.22;P641

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.002162

总页数: 129

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