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地下结构受到地下水压力的作用,随着地下结构的深度、广度不断增加,所处的渗流环境越来越复杂,抗浮问题愈加突出,设计相对保守的被动抗浮措施也存在失效的可能。在此背景下,采用截渗与排水减压相结合的主动抗浮方法(以下简称“截排减压抗浮法”),可作为被动抗浮方法的重要补充。然而,对截排减压抗浮法的关键理论和技术问题的研究工作还不完善,成为其推广应用的障碍。因此,本文首先对截排减压抗浮法的理念、构造和应用前景进行了介绍,对该法在应用中存在的几个关键问题进行了阐述,并归纳和总结了与此相关的文献资料。对工程技术人员最为关心的减压井淤堵、止水帷幕耐久性和渗流场计算问题开展了深入的研究工作,具体内容为以下几个方面:
(1)开展无砂混凝土限制孔径分布特征和渗透特性研究。基于Silveira模型,采用概率方法提出了无砂混凝土限制孔径的简化算法,该算法反映了水泥浆对骨料的包裹和对孔隙的填充作用。制作了无砂混凝土标准立方体试件以进行切片试验,对其孔隙尺寸进行测量和统计分析,结果表明同骨料粒级的孔隙数差别不大,水泥浆有向细小孔隙集中的趋势。此外,基于透水性测试和注砂试验,得到了无砂混凝土中的渗流规律和透水性的下降与恢复规律。
(2)开展无砂混凝土保土和淤堵性能试验研究。实验室设计制作了砂槽模型,分别采用均匀砂、连续级配砂和不连续级配砂作被保土,无砂混凝土作滤层开展渗流试验;对结构不稳定的被保土开展过渡滤层试验以对保土性进行改善;对砂样—无砂混凝土系统的长期透水性进行了测试。基于试验结果和文献资料,描述了无砂混凝土的界面保土形态,并对无砂混凝土防止淤堵的几何条件和水力条件进行探讨。
(3)止水帷幕耐久性定义及其缝隙渗漏变化过程试验研究。提出止水帷幕保持耐久性的关键在于缝隙渗透长期保持不变或逐渐下降。采用自制砂槽模型,模拟带缝隙的止水帷幕,研究缝隙渗漏的变化情况,结果证实缝后回填时止水帷幕缝隙也存在“自愈”现象,砂样级配、缝隙长度、水力条件等因素对缝隙渗漏存在影响。
(4)截排减压条件下的渗流场分析及工程案例介绍。提出在截排减压环境下,考虑止水帷幕渗漏和底部绕渗影响,减压井总流量和特征点水头的简化计算方法,并与有限元计算结果进行了比较。确定了各种地形条件下的远场边界水头。对采用截排减压抗浮法的工程案例进行介绍,总结了该方法在应用中的成功和不足之处。
本文研究表明,截排减压抗浮法可以形成较为封闭的渗流环境,显著降低排水量,减少对周边环境的影响。大直径的无砂混凝土减压井排水能力较强,当设置合适的孔径比,限制水力条件,减少干扰的情况下几乎不会出现淤堵,且大井径也提供了后期清理维护的可能。处于非腐蚀环境中的止水帷幕,其耐久性由其缝隙渗漏的变化情况决定,而当缝隙出口有适当的回填,水力条件稳定时,其缝隙渗漏量将逐渐降低,产生“自愈”现象,进而保证其耐久性。
(1)开展无砂混凝土限制孔径分布特征和渗透特性研究。基于Silveira模型,采用概率方法提出了无砂混凝土限制孔径的简化算法,该算法反映了水泥浆对骨料的包裹和对孔隙的填充作用。制作了无砂混凝土标准立方体试件以进行切片试验,对其孔隙尺寸进行测量和统计分析,结果表明同骨料粒级的孔隙数差别不大,水泥浆有向细小孔隙集中的趋势。此外,基于透水性测试和注砂试验,得到了无砂混凝土中的渗流规律和透水性的下降与恢复规律。
(2)开展无砂混凝土保土和淤堵性能试验研究。实验室设计制作了砂槽模型,分别采用均匀砂、连续级配砂和不连续级配砂作被保土,无砂混凝土作滤层开展渗流试验;对结构不稳定的被保土开展过渡滤层试验以对保土性进行改善;对砂样—无砂混凝土系统的长期透水性进行了测试。基于试验结果和文献资料,描述了无砂混凝土的界面保土形态,并对无砂混凝土防止淤堵的几何条件和水力条件进行探讨。
(3)止水帷幕耐久性定义及其缝隙渗漏变化过程试验研究。提出止水帷幕保持耐久性的关键在于缝隙渗透长期保持不变或逐渐下降。采用自制砂槽模型,模拟带缝隙的止水帷幕,研究缝隙渗漏的变化情况,结果证实缝后回填时止水帷幕缝隙也存在“自愈”现象,砂样级配、缝隙长度、水力条件等因素对缝隙渗漏存在影响。
(4)截排减压条件下的渗流场分析及工程案例介绍。提出在截排减压环境下,考虑止水帷幕渗漏和底部绕渗影响,减压井总流量和特征点水头的简化计算方法,并与有限元计算结果进行了比较。确定了各种地形条件下的远场边界水头。对采用截排减压抗浮法的工程案例进行介绍,总结了该方法在应用中的成功和不足之处。
本文研究表明,截排减压抗浮法可以形成较为封闭的渗流环境,显著降低排水量,减少对周边环境的影响。大直径的无砂混凝土减压井排水能力较强,当设置合适的孔径比,限制水力条件,减少干扰的情况下几乎不会出现淤堵,且大井径也提供了后期清理维护的可能。处于非腐蚀环境中的止水帷幕,其耐久性由其缝隙渗漏的变化情况决定,而当缝隙出口有适当的回填,水力条件稳定时,其缝隙渗漏量将逐渐降低,产生“自愈”现象,进而保证其耐久性。