排水设施对膨胀土渠坡渗流场变化影响研究

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膨胀土问题被公认为是土木工程界的“癌症”。在渠坡运行期间,由于膨胀土自身的性质(裂隙性、胀缩性)对渠坡的安全稳定有着较大影响。膨胀土作为一种具有特殊性质的细颗粒土,其渗透性主要受含水量和裂隙率影响。本文围绕膨胀土的渗透特性展开研究,总结出土的渗透性随初始含水量、初始裂隙率的变化规律。并基于地下水浸润渠坡情况对渠坡稳定性进行了分析,为排水工程合理布置提供依据。根据南水北调中线南阳段渠道运行期间观测资料,膨胀土渠坡含水量、土体内部的裂隙具有明显垂直分带性。研究获取渠坡体内部的含水量和裂隙分布随深度变化规律,对于排水布置的方式具有指导作用。近年来利用数值模拟有限元分析软件计算膨胀土渠坡的渗流和稳定性的方法被广泛应用。本文利用数值模拟软件分别模拟膨胀土渠坡土体的渗流场变化和稳定性,得到未布置排水管和增设排水管后坡体总水头分布以及膨胀土渠坡稳定性系数的变化。比较了排水管的不同长度和埋置角度对膨胀土渠坡渗流场和稳定性的影响。依据室内试验和数值模拟,本文得到的主要结论如下:(1)裂隙性膨胀土的渗透系数值随土样渗透时间、含水量的增大而减小。初始含水量越大的土样,初期渗透系数越大。在渗透过程中,渗流前期120min内土体渗透性最强,排水管的排水效果最佳。(2)膨胀土的渗透系数随土样裂隙率的减小而减小。由于膨胀土的隔水性,在初始含水量一定的情况下,初始裂隙率低的土样,渗透性差。此情况下,排水设施排水作用有限,实际工程中应增大排水管的布置密度。(3)根据渠坡运行期间的观测资料显示,在干旱时地下水没有得到有效补给的情况下,土体的含水量随深度的增加而增大。而在地下水得到有效补给之后,渠坡土体的含水量在25%左右,渠坡内部被水浸润。裂隙在表层不明显,在坡顶以下3m-10m中间最为发育,在此布置排水管作用较为明显。在10m以下应加密布置。(4)基于渗透系数随初始含水量、初始裂隙率随时间变化曲线,利用数值模拟软件的SEEP/W模块计算渠坡浸水后和增设排水设施后的渗流场变化。在增设排水设施基础上使用数值模拟进行稳定性分析,表明排水设施对渠坡稳定性增加有显著作用。排水管的长度和埋置角度均会对排水效果产生影响。
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