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      水庫岸坡排水降壓模擬研究①

      2015-06-02 02:33:28汪葉萍陳洪凱
      科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2015年8期
      關(guān)鍵詞:數(shù)值模擬滲流

      汪葉萍 陳洪凱

      摘 要:庫水位驟降對造地型填土岸坡滲流及穩(wěn)定性具有重要影響,該文通過geo-studio模擬軟件對巫山寧江島岸坡進(jìn)行排水管設(shè)置的數(shù)值分析研究,提出了水位驟降下的填土體岸坡與護(hù)岸結(jié)構(gòu)的同步排水技術(shù),通過模擬發(fā)現(xiàn)在靠近岸坡底部設(shè)排水管,排水降壓效果更明顯,利于降低岸坡體內(nèi)因水位驟降而產(chǎn)生的強(qiáng)大滲透力,并最終分析得到在設(shè)計(jì)工程中可以采用“下密上疏”的布置原則設(shè)置排水管,為巖土減災(zāi)的科學(xué)發(fā)展及社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)安全研究提供了重要的參考價值。

      關(guān)鍵詞:數(shù)值模擬 排水降壓 滲流 岸坡穩(wěn)定

      中圖分類號:P642.22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2015)03(b)-0044-02

      三峽庫區(qū)岸坡排水技術(shù)研究是庫岸和港口碼頭穩(wěn)定安全研究的重要內(nèi)容之一,也是地質(zhì)災(zāi)害防治研究的組成部分。三峽大壩形成后庫區(qū)水位將在145~175 m間周期性地變化,庫水位的周期性變化不可避免地會影響庫岸擋墻回填土力學(xué)性質(zhì),產(chǎn)生滲透力,進(jìn)而劣化岸坡穩(wěn)定性,大量的工程實(shí)踐和現(xiàn)場研究表明,水是影響水庫岸坡穩(wěn)定性的主要因素之一,其危害作用十分明顯。因此,盡量減少地表水向坡體內(nèi)入滲并有效排出坡體內(nèi)的地下水,對于岸坡的治理至關(guān)重要。

      目前常見的地下水排水措施主要有:滲溝、盲溝、滲井、排水涵洞、水平排水孔、集水井以及盲洞等。國內(nèi)外學(xué)者對岸坡防治排水工程進(jìn)行了深入研究,陳野鷹和唐紅梅等[1]創(chuàng)建了多級串聯(lián)虹吸排水技術(shù)并首次應(yīng)用于庫區(qū)港口岸坡穩(wěn)定性方案設(shè)計(jì),能有效地防治邊坡局部崩塌或整體滑動破壞等地質(zhì)災(zāi)害。劉毓氚[2]利用有限元數(shù)值分析研究降雨強(qiáng)度與持續(xù)時間對于福建地區(qū)壓實(shí)殘積土的影響,發(fā)現(xiàn)水平排水設(shè)施的位置與數(shù)量對于排水效果的影響十分突出。L. Piccinini等[3]通過研究Apennines山脈北部山體滑坡受地下水和降雨的影響,并建立三維地下水流模型發(fā)現(xiàn)設(shè)置水平排水管在降低壓力水頭的同時減小坡面滑移速度。本文通過geo-studio模擬軟件針對寧江島造地型護(hù)岸邊坡實(shí)施水位漲落過程中的填土與護(hù)岸結(jié)構(gòu)同步排水的關(guān)鍵技術(shù)研究,并揭示濱海濱庫地帶填土岸坡穩(wěn)定性變化規(guī)律,是巖土減災(zāi)科學(xué)發(fā)展及社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)安全保障的主要科學(xué)目標(biāo)。

      1 寧江島造地型岸坡工程概況

      寧江島岸坡屬于水庫岸坡人工造地,位于三峽水庫巫山縣大寧河與長江交匯處,由第四系人工堆填層、沖積粘性土層、殘坡積碎塊石土層組成,該護(hù)岸工程主要采用拋石護(hù)角、堆石壩、碾壓回填土、坡面防護(hù),重力式擋墻等五種技術(shù)措施[4],目的在于防止岸坡巖土體被庫水沖蝕破壞,主要是通過放坡來保證岸坡穩(wěn)定,未考慮同步排水降壓技術(shù),而三峽庫水位每年漲幅在145m至175m之間,寧江島岸坡受庫水位漲落影響明顯,庫水位變動使得土質(zhì)岸坡處在周期性的水的浸泡狀態(tài)[5],破壞了岸坡原有的自然平衡條件,盡可能削弱或消除庫水位降落過程中岸坡內(nèi)地下水滯留并產(chǎn)生強(qiáng)大滲透力成為該排水降壓護(hù)岸工程的關(guān)鍵。

      2 排水降壓滲流模擬結(jié)果

      該文主要模擬水位驟降條件下岸坡設(shè)置排水管前后的滲流就穩(wěn)定性變化情況,取初始水位在175m時的滲流情況作為水位下降前的初始條件,此時假設(shè)岸坡體內(nèi)外水位保持一致,均為175m,為一理想靜止?fàn)顟B(tài)。統(tǒng)一取水位降落速度為5m/d,岸坡初始狀態(tài)如圖1所示穩(wěn)定系數(shù)為1.116,采取單獨(dú)或組合方式分4種工況設(shè)置排水管,分別模擬的岸坡滲流穩(wěn)定性變化如圖2所示。

      利用Seep/w模塊進(jìn)行滲流分析模擬時,當(dāng)為穩(wěn)定滲流時,將排水管處設(shè)置為零壓力水頭邊界,本文為非穩(wěn)定滲流分析,應(yīng)將排水管設(shè)置為一種interface材料,并將其法向和切向滲透系數(shù)設(shè)置成較大的數(shù)值,具體數(shù)值可根據(jù)實(shí)際工程土層排水情況賦值。

      (1)從圖1中可以看出在庫水位驟降條件下,岸坡穩(wěn)定系數(shù)從初始的1.116陡降至0.481,整體處于失穩(wěn)狀態(tài),坡體內(nèi)水受到土體表面張力,土體顆粒的粘結(jié)和摩擦力的作用,產(chǎn)生滯后現(xiàn)象,水位驟降時來不及排出,使得岸坡體內(nèi)水位始終高與庫水位。(2)圖2中開始設(shè)置排水管后,岸坡體內(nèi)滲透壓力得到緩解,浸潤線隨著排水管的位置發(fā)生改變,岸坡更趨于穩(wěn)定,圖3-a中當(dāng)只在145m處設(shè)置排水管,模擬得到的穩(wěn)定系數(shù)為0.555,比未設(shè)排水管時穩(wěn)定性有所提高,且從圖中可以看出設(shè)置排水管位置周圍的浸潤線有明顯的變化,更趨于與岸坡外水位持平。(3)圖2-a,2-b,2-c中可以看出,隨著排水管設(shè)置位置的不同,從145m到160m,再到170m,發(fā)現(xiàn)排水管位置處浸潤線均有明顯的拐點(diǎn),相對而言,145m處的排水降壓效果最為明顯,在實(shí)際岸坡排水工程中可考慮“下密上疏”的設(shè)置原則,節(jié)約成本的同時也能提高排水效率。

      3 結(jié)論

      水位陡降時,填土造地岸坡護(hù)岸結(jié)構(gòu)后部坡體內(nèi)水位線下降速度滯后于外部水位線,在庫岸護(hù)岸結(jié)構(gòu)前后形成水頭差,使填土岸坡防護(hù)結(jié)構(gòu)易因積水長期浸泡,影響其穩(wěn)定性。因此,實(shí)施填土岸坡與防護(hù)結(jié)構(gòu)的同步排水研究對保證填土岸坡穩(wěn)定及其安全運(yùn)營具有重要意義。

      (1)在庫水位周期性浸泡作用下,寧江島岸坡土體發(fā)生軟化或泥化,土的C、φ值也隨之降低,水下土體受到浮力的作用后,有效壓應(yīng)力相應(yīng)減小,降低了土體抗滑能力,設(shè)置排水管能有效的降低坡體內(nèi)水位,從而降低其滲透壓力,減小水對土體的有效浮力,增加岸坡穩(wěn)定性。(2)排水管數(shù)量設(shè)置越多,同步排水效果越明顯,岸坡體內(nèi)外水頭差懸殊越小,但在實(shí)際工程中還要考慮成本及施工工藝的影響,并不是排水管設(shè)置的越多越好,當(dāng)排水管數(shù)量增多,排水及開挖成本相應(yīng)增高,所以在實(shí)際工程中要綜合估算其價值,選擇最合理的排水管數(shù)量和開挖間距。(3)水位驟降時,排水管埋設(shè)的位置越低,排水效果越好,岸坡穩(wěn)定系數(shù)在實(shí)際工程中可以采用“下密上松”的布置原則設(shè)管,節(jié)省成本的同時也能提高排水效率,此外該文未考慮排水管長短的布置與岸坡滲流及穩(wěn)定性之間的關(guān)系,在實(shí)際中可根據(jù)工程需要通過遴選回填材料、排水管道直徑以及設(shè)置間距綜合提高排水降壓效果。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 陳野鷹,唐紅梅,周作茂,等.三峽水庫港口岸坡排水方案優(yōu)化研究[J].水運(yùn)工程,2006(5):33-38.

      [2] 劉毓氚.壓實(shí)殘積土降雨滲流特性與填土邊坡排水設(shè)計(jì)研究[J].福州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,38(3):432-436.

      [3] L.Piccininia,M.Bertib,A. Simonib,et al.Slope stability and groundwater flow system in the area of Lizzano in Belvedere[J].Engineering Geology,2014,183(9):276-289.

      [4] 崔志波,陳洪凱,陳濤.改造地功能的水庫岸坡防護(hù)技術(shù)研究與實(shí)踐[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009(1):95-99.

      [5] 何曉英.高變幅水庫岸坡造地型護(hù)岸結(jié)構(gòu)修筑關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[D].重慶:重慶交通大學(xué),2011.

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