劉廣輝 11201070221
（安徽建築大學土木學院11級地質工程二班）
摘要：詳細分析了目前邊坡地下水的研究情況,認為邊坡地下水動力作用的研究包括兩方面的內容,一是地下水資源的定量評價和人工補給的**,二是岩體的裂隙水壓對變形和破壞的影響。地下水動力作用的研究方法可概括為數學模擬法、數值模擬法和實驗模擬法。
並對目前邊坡地下水的排導措施進行了歸納,主要分為地表防滲措施和地下排導措施兩類。
關鍵詞：邊坡地下水水動力作用排導措施地表防滲地下排導
一、引言
地下水的賦存和運移是對邊坡和滑坡穩定產生影響的主要自然因素之一,據統計資料表明:90%以上的岩質邊坡失穩與地下水作用有關[1],85%以上的土質邊坡的破壞與地下水關係密切,30%~40%的水壩失事由地下水滲流破壞引起,我國的大多數滑坡都是以降雨下滲引起地下水狀態變化為直接誘導因素。因此分析邊坡中地下水動力作用,以及在此基礎上進行排導措施的研究成為目前邊坡工程中的主攻課題之一。
二、地下水動力作用研究內容和方法
1.地下水動力作用研究內容
當前,地下水動力學的主要研究內容可以概括為兩個方面。(1)地下水資源的定量評價和人工補給的**,試**決水最均衡、水質保護和改良,以及減輕洪澇災害等問題。地表水和地下水的相互補給、排洩關係是問題的關鍵。
而介質的滲透規律,特別是地表水的下滲規律,是問題的本質。由於地球物質的分布使極不規則的,在水平、豎直方向的變化很大。所以如何準確地確定介質的導水系數長期以來成為地下水定量分析的不易攻克的難關。
於是利用有限元法結合統計分析反求引數受到重視。(2)岩體的裂隙水壓對變形和破壞的影響,岩土體中水壓變化會影響岩土體的應力狀態、變形和破壞過程；反過來,岩土體的變形會改善內部結構和透水性能,影響水在岩土體內的活動,使裂隙水發生變化,兩者具有互為因果的關係。水、土的相互作用的研究的深度和廣度都是比較大的,但對於水和岩體的相互作用,過去側重於滲透穩定方面的研究,忽略了孔隙水壓及變形破壞的內在聯絡,近些年來通過研究水庫蓄水和人工注水,開闢了孔隙水壓與岩體破壞相互關係的新領域,並形成岩體水力學新學科,主要探索岩體基岩裂隙水的運動規律。
2.地下水動力作用研究方法
數學摸擬法【2】:首先建立數學模型,所謂數學模型, 是通過乙個或一組數學表示式,用來描述地下水體系的水力關係。乙個完整的數學模型必須包括控制方程和輔助條件兩個部分。
前者指出控制變數的內在聯絡;後者是對體系的約束。這些數學表示式包含了符合達西定律的運動方程,流體連續性微分方程和不可壓縮性方程。這些方程是數學模型的控制性方程。
僅有這些方程還不能求解地下水的運動狀態,還必須引進與實際情況相符號的邊界條件,即輔助條件。數學模擬法在建立方程組時,由於較多的考慮了研究物件的巨集觀特徵,缺乏針對其不均勻性的研究,使得其結果與實際情況有差異,特別是在岩體地下水運動問題中,這些差異還比較明顯。
數值模擬法【3,4】:用數值方法求解滲流問題得到的是一種近似解,需要借助於計算機。數值方法的要點是把整個滲流區分割離散成若干個形狀規則的單元,各個單元根據需要選擇合適的水文地質引數,這樣把所有單元合在一起就能表現出滲流區域在幾何上的不規則性和在水文地質上的非均質性,代表實際的滲流區。
對各個單元進行求解,得到滲流區中離散點(如各單元的公共頂點或單元的中心點)上未知量的近似解。數值法主要包括有限差分法、有限單元法和邊界單元法。
實驗模擬法訓【2】:實驗模擬法是一種解決複雜滲流問題的重要方法.該方法是利用滲流和一些物理現象相似的原理,用相似模型再現滲流過程和滲流的流態,得到滲流規律。
其最大的特點是可以直接從實驗中直接觀察到滲流現象。常用的方法有砂槽模型法、縫隙水槽法、水力網模型法、電擬試驗法和電阻網模型法。
三、邊坡排水措施
邊坡地下水的排導,就是運用地下水動力學的原理和方法,合理改善地下水的流態和動力效應,減小地下水的動水壓力和靜水壓力,減輕坡體自重,使地下水朝對邊坡穩定有利的方向發展。目前對邊坡地下水的處理措施,可以分為地表防滲措施和地下排導措施。所謂地表防滲措施,就是實施地表排水措施,將地表水進行截流、匯集,再迅速排導到遠離危害邊坡穩定的地方,或對地表進行防滲處理,防止地表水下滲到坡體中。
地下排導工程是在坡體中用滲透效果較好的材料將地下水排出體外。
1.地表防滲措施
地表防滲工程可以分為防止雨水滲透工程和將地表水迅速匯集並排除的渠道工程【5】。
()l防滲工程。在岩土體透水性較強或地下水特別豐富且滲流量很大的地區,在發生裂縫的地方,進行防滲處理,用粘土或水泥漿充填裂縫,並用聚乙烯布覆蓋。在透水性弱的情況下,在池沼或溝渠等處作防滲處理.
將溝渠或池沼的底部用防水材料覆蓋。
(2)渠道工程。為了把邊坡區內的雨水等迅速匯集併排到邊坡區外,必須在邊坡區內布置排水溝網。這些排水溝按其主要功能又分為集水溝和排水溝(圖l)。
圖1 邊坡地表排水溝
2.地下排導措施
在邊坡地下水豐富的地層,通過人工改造,在岩土體中形成滲透係數大的地層,再通過它誘導掃除,以降低滑動面或潛在滑動面附近的含水率或孔隙水壓力,使土體趨於穩定。地下排導措施分為排除潛層水地水和深層地下水兩類【6,7】。
（1） 排除淺層地下水工程
暗溝和明暗溝(圖2~ 3)。暗溝和明暗溝最適宜於排除分布於自地表以下3公尺範圍內的地下水,能排除分布於滲透係數小的土層中的土顆粒間的孔隙內的地下水。暗溝是在挖到預定深度的溝中砌成石籠或在溝中鋪填碎石和安設透水混凝土管、波紋管、鋼筋混凝土管等的盲暗溝。
根據功能可以分為集水暗溝、排水暗溝等。
圖2 暗溝
圖3 明暗溝
水平鑽孔排水管。排除離地表3公尺以下的淺層地下水,通常可用30~ 50公尺的水平鑽孔。鑽孔一般上傾10°~15°,孔徑為60~ 100公釐,在透水性不好的土體中採用大孔徑,透水性好的土層中採用小孔徑,鑽孔形成後,為了防止孔被堵塞可在孔內安裝硬質聚乙烯網狀管。
(2)排除深層地下水工程
長的水平鑽孔。在深層地下水排導措施中,與積水暗溝相比,有施工容易,對土層和岩層都適用等特點,因此常常被選用。其選擇方法與前相同。
但在鑽進過程中如遇到大孤石或穿越滑動面層時,容易引起管道彎曲損壞,發生排水孔堵塞。由於埋藏較深,管道承受的地應力較大,要求管道的強變較高。
集水井。集水井適宜於集中地匯集基岩上面及其附近的地下水。在地下水最集中的區域附近,設定直徑3.
5公尺以上的豎井,並在井壁上打一短的水平排水孔,使附近的地下水匯集到豎井中,利用附有浮動開關的水幫浦把井中的水排到地表,或從豎井底部設定長的水平鑽孔,使集水自然地流到斜坡下方的地表。集水井的目的在於通過在井中鑽許多水平排水孔以縮短到地表的水平鑽孔的長度。井內的水平鑽孔可布設2~3層,所以不僅可以排除深層地下水,而且還能排除淺層地下水。
集水井的深度一般為15~30公尺,在正在滑動中的滑坡區內施工集水井時,應達到比滑動面淺的部位即可,並盡量縮短工期,對暫為滑動的滑坡區內或滑坡區外,集水井應達至基岩,並深入基岩2~3公尺。
洩水隧道。當邊坡基岩內或基岩面附近確實分布有大量的地下水脈時.採用洩水隧道是最可靠有效的排水措施。
洩水隧道一般設定在邊坡地下水豐富的穩定地基上,與集水井和水平排水孔、豎直排水孔鏈結起來使用。通過這些豎井和排水孔,可以排除淺層地下水和深層地下水。其規模與一般隧道的導坑差不多,直徑為1.
8~2.5公尺。在洩水隧道完工後,常常用卵石回填,匯集的地下水經設在隧洞底部的排水管或排水溝排到洞外。
(3)立體排水工程
當需要同時排除很多含水層的地下水時,打許多垂直鑽孔,穿過各層而直到最深處的含水層,把各層的地下水匯集到最深處的含水層,再用水平鑽孔或排水隧道等誘導排除到地表。它對排除淺層和深層的一切地下水都是有效的,但是應通過地下水測井、地下水連通等充分掌握含水層的分布,並且如果最深處的含水層位於滑動面以下相當深時,則應通過滑動面調查來確定該含水層地下水流量的增大是否會促進滑坡運動。
除了上述這些排水措施之外, 將電滲運用到邊坡排水和地基加固當中,也取得了一定的效果。
四、結論
邊坡地下水動力作用經過近幾十年的研究努力取得了較為豐碩的成果,提出了較為系統的分析方法,產生了許多有價值的理論成果。但隨著水利工程投入的加大和經濟建設的需要，仍然還有一些亟待解決的問題:
1.地表降水、庫水位上公升等地表水下滲時效問題,以及實施排水措施後地下水排導的時效問題。
2.加強對邊坡排水工程實施效果研究,提高排水工程設計的準確性和可靠度,滿足當前經驗排水技術對排水理論的需求。
參考文獻
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