充气截排水影响因素数值模拟.pdf

1 0 4 低温建筑技术 2 0 1 5年第 1 2期( 总第 2 1 0期 ) 冻土与地基基础 D O I ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 1 2 0 3 7 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3 1 0 0 5 8) 【 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 C e o S t u d i o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】 T U 4 7 1 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 1 2 0 1 0 4 0 3 0 引言 降雨入渗导致坡体地下水位上升进而诱发滑坡 的发生已经成 为共识 。降雨入渗主要 以两种方式对边 坡稳定性产生影响： 雨水对边坡土体起到加载作 用 ， 使得土体含水 量增 加 ， 重度 变大 ， 使 得滑移 面 的剪 应力增大； 改变坡体的力学性能， 导致 内聚力下降， 抗剪强度降低。因此， 长期以来人们一直很重视边坡 排 水工作 。传统 的排水措施如地表排水沟 、 排水盲 沟、 水平排水孔 和地下排水洞等 ， 都是利用水的重力势能 ， 将高水位的水排到低位区。对边坡的排水环境要求较 高。实际工程中， 许多边坡很难提供有利的地形条件 ， 使得排水措施的有效性难以保证， 也无法控制截排水 的速度来形成快速有效 的截排水系统 。 非饱和土渗流理论研究 相对 比较成熟 ， 许迪 和 A M e m o u d _ 矛 0 用经典的土壤持水模 型 C P 推得 了导水率随饱和度的变化关系式， 提出土的渗透系数 具有随饱和度降低而快速下降的性质， 因此， 可以根据 此理论往土中注气驱替部分地下水形成非饱和区域 发挥 其阻渗 的作用 。这种构思在相关领域的应用研究 中已有初步成 果 ， 如含水 层 地下 储气 库 的建造 、 曝 气法处理土壤以及地下水中污染物 、 压气新奥法隧 道施工 等领域都是利用气排水原理， 其核心思想就 是通过在饱和土体内充气 ， 气体驱替土体孔隙中的水 ， 使饱和土变成非饱和土。 许多边坡后缘具有广阔的汇水区域， 降雨产生大 量雨水都以入渗方式到达坡体前缘， 提高潜在滑坡区 的地下水线。利用气排水原理在潜在滑坡区后缘充气 构建非饱和截水帷幕 ， 降低土体渗透性， 减少坡体后缘 向潜在滑坡区的入渗量， 从而提高坡体 的稳定性。基 于非饱和土渗流理论， 通过向坡体后缘一定区域内充 气， 在滑坡区后缘形成非饱和带， 可快速构建截水帷 幕， 达到截排水目的， 这对于滑坡抢险工作尤为重要， 可为滑坡治理工程的实施争取宝贵时间。 充气截排水技术就是通过在边坡 的中上部潜在 滑坡区外围， 钻探形成压气孔， 向坡体压人高压气体， 形成经气水 置换 的局部非饱 和区域 ， 减少 上游坡体 地 下水流向潜在滑坡区。目前充气截排水技术仍处于探 索研究阶段， 充气点上覆土层对截排水效果的影响是 需要解决的 内容。由于土层是 由三相体构成 的复杂混 合体， 当前对岩土体中气、 水渗流问题的研究通常采用 数值模拟 的方法 。本 次 正是借 助数 值模 拟 针对 影 响截排水效 果的上覆 土层进行分析探讨 。 1 气 液两相流相关理论 土体是由气液固组成的复杂三相体 ， 气体和液体 在土体中的流动遵循相应的流动方程。在稳态以及瞬 态下 ， 液体在土壤 空隙中的流动是遵循 达西定律 的。 达西定律微分形式为： ：一 k k Vc p ( 1 ) f 式中， 为势函数( 即相应的孔隙压力) ； 为绝对 渗透率； 为相对渗透率； 为黏度， i = 或g ， 分别代 表水相、 气相。 式中的相对渗透率与绝对渗透率满足如 下关系 ： k ： ( 2 ) ( 1+ ) 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( 4 1 3 7 2 2 7 7 ) ； “ 十二五” 国家科技支撑计 划( 1 2 2 0 B A K1 0 B 0 6 ) 1 0 6 低温建筑技术 2 0 1 5年第 l 2期( 总第 2 1 0期) 在滑坡区的地下水位线降低到一定程度。如果土层 2 很厚， 则土层2仍会浸在水位线里面， 由于土层 2的渗 透性很小， 加上充气时间相对较短， 较难将土中的水分 驱走， 反而因为充气压力作用抬升了水位线 ， 产生图 2 中所示结果 。因此在实 际中充气点 位置选 择时 ， 要考 虑上覆土层厚度对截排水效果的影响， 避免因为土层 厚度过后 ， 产生不利的后果。 2 2 上覆土层 的渗透性对截排水效果 的影 响。 渗透性作为影响坡体渗流的主要因素， 显然也是 充气截排水所要考虑的关键因素。固定土层 1的渗透 性， 通过改变土层 2的渗透性大小， 来研究充气点上覆 土层渗透性对充气截排水的效果。先令土层2和土层 1 取一样的参数， 之后土层 2依次取渗透性为 1 e - 5、 1 e - 6 、 1 e - 7 、 l e 8 c m s 。来研究上层土的渗透性大小对 充气截排水的效果。气压仍取为 2 3 0 K p a时。充气一 段时间后 ， 潜在滑坡 区的地下水位线均 出现 明显下降。 将不同渗透性下， 充气后的地下水位线与 自由渗流水 位线进行对 比， 绘制曲线图 3所示 。 幢 水平距离， m 一 - _ 4 次渗透系数的水位线高度 I 一 一 5 次渗透系数的水位线高度 一 _ 6 次渗透系数的水位线高度 一 一 7 次渗透系数的水位线高度 -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 0 图3上覆土层渗透性大小对截排水效果影响 由图 3可 以得知 ： ( 1 ) 充气确实能够降低潜在滑坡区的地下水 位线 。 ( 2 ) 上覆土层渗透性越小， 其截排水效果越好 ， 当渗透性降低到一定程度时， 结果趋于稳定。 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 。 通过 以上对 上覆 土层 厚度 以及 渗透性 大 小对 截 排水效果影响的分析， 可以为充气截排水中充气点位 置的选择提供指导。 3结语 充气截排水作为一项治理 边坡 的辅助新技 术 ， 具 有广阔的发展前景。在土体二项渗流理论的基础上 ， 利用岩土工程软件 G e oS t u d i o对影响充气截排水效 果 的上覆土层进行 了研 究分析 ， 可 以为充气截 排水 的 进 一步发展提供帮助 。 本次数值模拟得到的主要结论如下 ： ( 1 ) 模 拟结果 表 明， 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。 ( 2 ) 充气点上覆土层厚度是影 响截排水效 果的 一 个重要因素。存在尺度效应， 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 。 ( 3 ) 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。 参考文献 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 ， 2 0 1 2 ， 4 1 ( 1 7 ) ： 6 3 6 6 2 J B e a r ， 李竞生 ，陈崇 希 多孔介 质流体 动力学 z 1 9 8 3： 5 2 25 6 8 3 弗雷德隆德 F r e d l u n d D e l w y n G， 拉 哈尔佐 R a h a r d j o Ha r i a n t o ， 陈仲颐 非饱和土土力学 M 北京 ：中国建筑工业出版社 ， 1 9 9 7 4 许迪， M e r m o u d A 从土壤持水数据估算导水率方法的比较分 析 J 水土保持学报 ， 2 0 0 1 ， ( S 1 ) ： 1 2 51 2 9 5 展长虹， 焦文玲， 廉乐明， 等 利用含水层建造地下储气库 J 天然气工业 ， 2 0 0 1 ， ( 4 ) ： 8 8 9 1 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 ， 2 0 0 3 ， 2 2 ( z 1 )： 2 4 6 2 5 1 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 ， 2 0 0 6 ， ( 3 )： 5 8 4 5 8 9 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， 2 0 0 2， ( 6) ： 7 0 1 7 0 5 收稿 日 期 2 0 1 5 - 0 9 2 1 作者简介 钱文见( 1 9 9 1 一) ， 男， 河南周口人， 硕士研究生 从事岩土工程灾 害防治技术研究。