滑坡抢险充气截排水方法研究

防止滑坡外围地下水入渗，以及在强降雨前排出坡体部分地下水，对确保滑坡安全和赢得滑坡抢险时间十分重要。项目研究以岩土体的透气性测试研究为基础，以高压气体在坡体环境中的扩散方式和影响气水置换因素研究为重点，以压入气体对岩土体渗透性和渗流场的改变作用研究为核心，探讨了充气截排水技术的基础理论问题和应用条件，开拓了滑坡截排水新方法，提出了滑坡充气截排水技术实施的初步方案。 通过大型模型试验论证了充气截排水技术的可行性，试验模型在充气压力15kPa的条件下，模型后缘入渗水位分别为0.4m、0.6m和0.8m时，潜在滑坡区地下水位平均降幅分别12.1%、9.6%和4.5%。建立了堆积层边坡常见的粉质粘土渗透性及导气率的关系，获得了干土状态下的导气率比饱和渗透性大2~3个数量级的研究结论。揭示了坡体充气过程中非饱和区孔隙气压力、孔隙气流速度、孔隙水渗流速度和体积含水量会随时间发生波动性变化，当孔隙气压力随时间增大时，孔隙气体流速也随时间增大，孔隙水渗流速度和体积含水量则随时间减小。揭示了充气点放置在距离潜在滑坡区较近的位置时，截排水效果更好，充气压力越大，潜在滑坡区的地下水位下降越多。渗透系数增大则充气截排水达到稳定所需的时间越少，孔隙率越大则形成稳定截排水效果所需的时间也越长，但渗透系和孔隙率对最终的截排水效果影响微弱。揭示了边坡充气形成非饱和阻水区的过程，依次为：气相不断向水相中溶解扩散出现封闭气泡形态存在的游离气相、气相开始在小部分孔径较大的连通孔隙的流动、优势渗流通道内大量气体突破坡体进入大气、原有孔隙渗流通道扩张且气相渗流通道数量增加。 多数滑坡的抢险过程中，常常接近于极限平衡状态，期间如果出现新的强降雨引起地下水位上升，就可能导致滑坡再次启动，使治理工程毁于一旦，面临滑坡启动的威胁，制约救灾工作的开展，项目研究探索建立的滑坡充气截排水技术具有快速有效的特点，将对滑坡灾害防治起积极作用。 2100433B

降雨引起坡体地下水位上升，包括表面降雨入渗和后缘地下水入渗。多数滑坡地下水位变化取决于后缘入渗补给量大小。防止滑坡外围地下水入渗，以及在强降雨前排出坡体部分地下水，对确保滑坡安全和赢得滑坡抢险时间十分重要。目前斜坡截排水都是利用水往低处流的重力势特性，属于被动排水方法，无法实现快速截排水。至今没有一种主动可加压的排水技术措施。本项目围绕充气截排水技术方法的基础理论开展研究，构建滑坡主动截排水技术方法。利用钻孔充气压力大小的可控性，改变斜坡地下水渗流方向，形成比自然渗流环境更高的水力梯度，使地下水流出滑坡敏感区域。研究工作以不同类型岩土体的透气性测试为基础，以高压气体在坡体环境中的扩散方式及其影响因素研究为重点，以压入气体对岩土体渗透性和渗流场的改变作用研究为核心，探讨充气截排水技术的基础理论问题，着眼于开拓滑坡充气截排水新方法，解决充气截排水技术在滑坡应急治理工程中应用的可行性问题。

边坡充气截排水是一种新技术，以快速控制潜在滑坡区地下水位上升为目标。该技术利用钻孔向坡体内充气，改变边坡部分区域岩土体饱和度和地下水渗流方向，形成非饱和阻渗区，减少边坡后缘地下水流人潜在滑坡敏感区。边坡充气截排水技术具有布孔位置选择方便和经济性好的优势，可望成为滑坡截排水的主要方法之一。

《边坡充气截排水方法》以岩土体的透气特性和气驱水理论研究为基础，以高压气体在坡体环境中的扩散方式及其影响因素研究为重点，以压入气体对岩土体渗透性和对渗流场的改变作用研究为核心，探讨充气截排水技术的基础理论问题，着眼于开拓滑坡充气截排水新方法，解决充气截排水技术在滑坡治理工程中应用的可行性问题。《边坡充气截排水方法》可供滑坡地质灾害防治领域的工程技术人员和大专院校相关专业师生作为边坡截排水技术研究和学习的参考。

第1章 绪论

1．1 边坡截排水的意义与存在的问题

1．2 压缩空气在工程中的应用现状

1．2．1 含水层型地下储气库

1．2．2 压气新奥法隧道施工

1．2．3 地下水曝气法

1．2．4 空气注入技术治理液化

1．3 边坡充气截排水方法

第2章 充气截排水方法的基础理论

2．1 非饱和土的渗透特性

2．1．1 非饱和土的土一水特征曲线

2．1．2 非饱和土的渗透系数函数

2．2 入渗过程中的气体阻渗机理

2．2．1 降雨入渗过程

2．2．2 入渗过程中的气体阻渗机理分析

2．3 充气排水运动机理分析

2．3．1 充气排水运动细观机理

2．3．2 充气排水运动宏观机理

2．4 充气排水压力的确定

2．4．1 充气排水渗流理论分析

2．4．2 充气排水起始气压力的确定

2．4．3 充气排水压力上限的确定

2．4．4 充气排水方法的适用性

2．5 边坡充气阻渗截水理论分析

2．5．1 成层土渗流分析

2．5．2 边坡充气阻渗截水分析

第3章 土体中充气截排水可行性试验

3．1 充气排水可行性试验

3．1．1 充气排水试验装置

3．1．2 充气排水的可行性分析

3．2 饱和土柱充气截水试验

3．2．1 充气截水试验装置及试验步骤

3．2．2 充气截水效果分析

3．3 非饱和土柱充气阻渗试验

3．3．1 充气对人渗影响的试验方法

3．3．2 人渗现象与湿润锋面发展过程

3．3．3 入渗过程中土体容积含水量变化

3．3．4 阻渗效果评价

3．4 粉质黏土渗透性及导气率物理模型试验

3．4．1 土体导气率公式

3．4．2 模型试验条件和步骤

3．4．3 试验现象和基本认识

3．4．4 导气率与饱和渗水系数之间的关系

第4章 砂土边坡充气截排水模型试验

4．1 砂土边坡充气截水效果分析

4．1．1 试验模型及过程

4．1．2 充气截水效果分析

4．2 砂土边坡最佳充气压力研究

4．2．1 试验模型及方法

4．2．2 最佳充气压力的试验分析

4．2．3 最佳充气压力的数值分析

第5章 粉质黏土边坡充气截排水模型试验

5．1 充气过程中坡体地下水位的变化规律

5．1．1 试验模型与试验方案

5．1．2 充气过程中地下水位变化的阶段性

5．1．3 初始地下水位对充气过程的影响

5．1．4 充气压力对地下水位变化的影响

5．2 边坡充气形成非饱和阻水区的过程分析

5．2．1 边坡充气模型试验

5．2．2 充气非饱和区形成过程分析

5．3 非饱和区的长度和宽度对截水效果的影响

5．3．1 充气非饱和区长度

5．3．2 充气非饱和区宽度

第6章 充气过程中气水两相流基本特征数值模拟

6．1 气水两相流数值分析基础理论

6．1．1 控制方程

6．1．2 土水特征函数与渗透系数函数

6．2 气体对入渗影响的数值分析

6．2．1 不考虑气体影响的降雨入渗分析

6．2．2 考虑气体影响的降雨人渗分析

6．2．3 考虑气体影响的自由人渗与积水人渗对比

6．2．4 不同土体中孔隙气体的阻渗效果

6．3 一维土柱中充气截排水方法的数值分析

6．3．1 充气对体积含水量的影响

6．3．2 充气对孔隙水压力的影响

6．3．3 充气对孔隙气压力的影响

6．4 边坡充气截排水方法的气水两相流基本特征数值模拟

6．4．1 坡体充气数值计算模型

6．4．2 坡体充气过程中非饱和区扩展特征

6．4．3 非饱和区孔隙气压力的变化规律

6．4．4 非饱和区孔隙水流速的变化规律

6．4．5 非饱和区孔隙气体流速的变化规律

6．4．6 非饱和区体积含水量的变化规律

6．5 充气非饱和阻水区的形成机理分析

6．5．1 数值分析模型

6．5．2 非饱和阻水区形成机理分析

第7章 充气截排水影响因素数值模拟

7．1 充气位置

7．1．1 模型计算参数的反演确定

7．1．2 充气点沿渗流方向上的相对位置

7．1．3 充气点深度

7．2 坡体渗透性

7．2．1 渗透系数对截排水效果的影响

7．2．2 渗透系数对截排水效果上限用时的影响

7．3 土体孔隙率

7．3．1 孔隙率对截排水效果的影响

7．3．2 孔隙率对截排水效果上限用时的影响

7．4 充气压力

7．4．1 充气压力对截排水效果的影响

7．4．2 充气压力与相应的截排水上限用时的关系

7．4．3 渗透性、孔隙率及充气压力对截排水效果影响的对比

7．5 充气非饱和区宽度

7．6 非饱和土层厚度

7．6．1 非饱和土层厚度对允许充气压力的影响

7 6．2 非饱和土层厚度对坡体地下水位的影响

7．6．3 非饱和土层厚度对地下水渗流场的影响

第8章 土体充气变形破坏机理研究

8．1 土体充气破坏物理模型试验

8．1．1 试验装置及试验步骤

8．1．2 单层土的充气变形破坏

8．1．3 双层土的充气变形破坏

8．1．4 三层土的充气变形破坏

8．2 土体充气破坏机理分析

8．2．1 土体裂隙扩展理论

8．2．2 松散颗粒类土体破坏分析

8．2．3 气囊影响区形成机理分析

8 3 充气截排水渗流与变形耦合的数值分析

8．3．1 控制方程与模型建立

8．3．2 坡体非饱和区气水运移过程及变形特征

8．3．3 充气压力与坡体变形的关系分析

第9章 边坡充气截排水工程实例分析

9．1 滑坡概况及成因分析

9．2 数值计算模型参数确定

9．2．1 模型物理力学参数确定

9．2．2 充气压力确定

9．3 数值模拟结果分析

第10章 结语

参考文献 2100433B