充气截排水位置及压力选择数值模拟.pdf

1 O 2 低温建筑技术 2 0 1 6 年第 1 期( 总第 2 1 1 期) D OI ： 1 0 ． 1 3 9 0 5 ／ j ． c n k i ． d w j z ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 3 7 充气截排水位置及压力选择数值模拟 钱文见 ， 尚岳全 ， 朱森俊 ( 浙江大学建筑 工程 系， 杭 州3 t 0 0 5 8) 【 摘 要】 充气截排水技术是利用气排水理论通过向坡体后缘部位钻探成孔， 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 线， 达到提高坡体稳定性的目的。对多孔介质中多相渗流问题的研究是很复杂的， 数值模拟作为一种重要的研究 手段也是常常利用的研究方法。利用岩土工程软件 G e o — S t u d i o对充气截排水技术的相关因素进行了数值模拟 ， 研 究了在坡体后缘中充气点位置的选择以及充气压力选择的问题。模拟结果表明： 利用充气截排水技术提高坡体 稳定性的做法是可行的； 当充气点位置靠近潜在滑坡区时， 充气截排水能得到更好的效果； 充气压力越大， 坡体稳 定性系数提高越大。 【 关键词】 滑坡； 充气截排水 ； 充气点位置； 充气压力； 数值模拟 【 中图分类号】 T U 4 6 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 6 ) 0 1 — 0 1 0 2 一 o 2 O 引言 降雨诱发滑坡的发生已经达成共识， 大多数边坡 的广阔汇水区域集中在坡体后缘部分 ， 降雨产生的雨 水中相当大一部分都 以入渗方式到达坡体 内部补充 地下水位 ， 抬高潜在滑坡区的地下水线 ， 从而诱发滑 坡灾害的发生。传统的排水措施如地表排水沟、 排水 盲沟、 水平排水孑 L 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。 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 ， 可提高坡体的稳定性。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 采 用气 排水 理论 的思 想通 过在边坡的后缘部位 ， 钻探形成压气孔 ， 向坡体内压 入高压气体 ， 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的入渗， 从而提高 坡体稳定性。非饱和土体的相关理论已比较成熟， 目 前 ， 气排 水 理论 主要 运用在 气 曝法处 理水 中污 染 物 地下储气库的建造以及压气新奥法隧道施工 中。而 运用气排水理论截排边坡后缘来水， 提高坡体稳定性 的做法目前 尚未见到。研究岩土体 中气水之间的耦 合作用是很复杂的， 数值模拟是其 中的一种研究重要 方法。如： 王初生 对压气沉箱工法进行水气二相渗 流模拟， 得到结果基本符合实际情况； 刘辉等 通过 数值模拟分析了压气新奥法隧道施工中渗流场( 水流 和气流) 的分布及变化规律， 研究了压气新奥法隧道 施工过程中压缩空气的影响范围、 漏气量 以及如何合 理选择工作气压的问题 ； 王皆明等 利用数值模拟研 究了不同构造特点含水层在建库过程 中的气驱多项 渗流问题， 提出应当优先考虑较大地层倾角并采用较 低注气速度来改善储气效果 的结论 ； J a v a d i 等 针对 压气法施工的隧道 中的空气损失问题建立 了一个数 值模型 ， 用于预报隧道内的空气损失等。 目前充气截排水技术仍处于探索研究阶段 ， 充气 点位置以及充气压力的选择是 当前研究的一个重要 内容。本次正是借助岩土工程软件通过数值模拟探 讨充气截排水技术 中充气点位置 以及充气 压力 的 选择 。 1 充气截排水对边坡稳定性影响的数值模拟分析 多孔介质中的多项渗流问题相当复杂， 数值模拟 技术是研究多项渗流的一种重要手段。本次数值模 拟以图 1 作为几何模型， 从边坡稳定性角度考察充气 截排水技术最优 的充气 点位置 。一 般而 言 ， 渗气 系数 要比渗水系数大 1 ～ 2个数量级 ， 取材料的渗透系数 1 ． 6 X 1 0 一m ／ s ， 渗气系数取 1 0 K=1 ． 6 X 1 0 ～m ／ s ， 饱 和 体积含水率 0 ． 5 m ／ m 。模型左侧水位设置为 1 2 0 m， 右侧水位设置为6 5 m。图 1中的a 点 、 b点、 e 点、 d点、 e点的坐标分别为：( 2 5 ， 8 5 ) 、 ( 4 5 ， 8 1 ) 、 ( 6 5 ， 7 7 ) ( 4 5 ， 9 6 ) 、 ( 4 5 ， 6 6 ) ， 各点坐标单位为 I l l 。模型中右方的潜 在滑动 区是在上述 的水位条 件下根据 G e o - s t u d i o中的 S l o p e ／ W模块得出的， 具体见图 1 。 1 ． 1 渗流方向上充气位置的优化选择 由于充气截排水技术尚处于初始研究阶段， 缺乏 对于充气位置的研究， 这里笔者将结合坡体稳定性来 表明最 优 的充气 位 置。沿 着地 下水 的渗流 方 向在 边 坡体后缘上依次选取充气位置为 a ( 2 5 ， 8 5 ) 、 b( 4 5 ， 8 1 ) 、 c ( 6 5 ， 7 7 ) 三点 ， 坐标单位为 m。各点距离 自然渗 钱文见等： 充气截排水位置及压力选择数值模拟 1 0 3 l o 0 l 0 0 图1 充气模型尺寸 ( 单位 ：m) 流水位线高度均为 3 0 m， 在起始充气压力 3 2 0 k P a的基 础上增加 至 4 0 0 k P a 。充气前 的边坡稳 定性 系数 为 1 ． 0 2 0 ， 充气 5 d后， a点、 b点、 C 点的边坡稳定性对 比 如表 1 所示。从表 1可以得知： ①各点充气后 ， 稳定性 系数均有提高。这说明， 利用充气截排水技术提高坡 体稳定性的做法是可行的； ②在同一个充气压力作用 下 C点充气效果最好。这表明： 沿着渗流方向， 充气点 应当放置在距离潜在滑坡区较近的位置， 此时在充气 压力作用下， 稳定性系数提高最为明显。 1 ． 2 不同充气深度、 不同充气气压对边坡稳定性的 影 响 利用充气截排水技术对实际坡体进行充气 ， 除了 要考虑渗流方向上充气点的布设位置以外 ， 还需要研 究不同的充气点深度和充气气压大小对边坡稳定系 数的影响。在上述数值模拟的基础上， 沿着 b点所在 的竖直方向选择 d ( 4 5 ， 9 6 ) 、 e ( 4 5 ， 6 6 ) 两点 ， 坐标单位 为 m。利用数值模拟来分析不同充气深度及充气压力 对坡体稳定性的影响。各点距离地下水位线高度依 次为 1 5 ( 相当于 1 5 m的水头压力 ) 、 3 0 、 4 5 m， 在各点起 始气压压力的基础上， 依次增加充气压力。各点在不 同充气压力作用下稳定性变化如表 2所示。 表 1 充气后 a点、 b点和 C点的边坡稳定性对比 由表 2可以得知 ： 各点充气压力越大， 坡体的稳定 系数也提 高越多 。当选择 的充气 点位置 较浅 时 ， 由于 上覆压力较小 ， 所能采取的充气气压也较小 ， 坡体的 稳定系数提高也相对较少。当充气点的位置较深时， 上覆 压力 更 大 ， 所能 采取 的充 气气 压更 高 ， 坡 体 的稳 定系数提高的也更多。 表 2 不同充气位置及充气压力下 各点稳定系数对比 2结 语 由于多孔介质渗流的复杂性， 数值模拟常用作一 种重要的手段来研究多项渗流问题。充气截排水作 为一种辅助治理边坡 的新技术 目前尚处于基础研究 阶段 ， 通过本次数值模拟得到的主要结论如下： ( 1 ) 利用充气截排水技术提高边坡稳定性的做 法是可行 的。 ( 2 ) 利用充气截排水技术对边坡后缘注气时 ， 充气点位置应当放置在距离潜在滑坡区较近的位置， 此时， 在同样的充气压力作用下， 坡体的稳定系数提 高的更多。 ( 3 ) 坡体稳定性随充气点处充气压力的提高而 提高。实际工程中可根据需要选择合理的充气压力 来获得理想的截排水效果。 参考文献 [ 1 ] 王初生．气体在饱和黏性土中渗透行为的模拟试验及其工程 应用[ R ] ． 上海： 同济大学， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 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 ． [ 3 ] 王皆明， 郭平， 姜风光．含水层储气库气驱多相渗流机理物 理模拟研究[ J ] ．天然气地球科学， 2 0 0 6 ， ( 4 ) ： 5 9 7 — 6 O O ． [ 4 ] S n e e C，J a v a d i A A．P r e d i c t i o n o f c o mp r e s s e d a i r l e a k a g e f r o m t u n n e l s [ J ] ．T u n n e l l i n g a n d u n d e r g r o u n d s p a c e t e c h n o l o g y ， 1 9 9 6， 1 1 ( 2 ) ： 1 8 9—1 9 5 ． [ 5 ] J B e a r ， 李竟生， 陈崇希． 多孔介质流体动力学[ M] ． 北京： 中 国建筑工业 出版社 ， 1 9 8 3： 5 2 2—5 6 8 ． [ 收稿 日 期] 2 0 1 5— 0 9 — 2 2 [ 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。