充气截排水渗流与变形耦合数值模拟

为了探究坡体充气时土体渗流与变形之间的变化规律,利用有限元软件建立厚12m、长100m的二维边坡模型,进行渗流-变形的非完全耦合数值模拟,得到对坡体采取充气截排水方法降低地下水位时坡体内充气非饱和区的形成过程,以及坡体表面土体竖向位移的变化过程。结果表明:一个完整稳定的非饱和区形成过程可分为充气初始阶段、非饱和区扩大水位抬升阶段、不稳定两相流阶段和非饱和区稳定阶段,充气压力过大或过小都无法形成稳定完整的非饱和区;当充气压力为100kPa时,坡体表面土体的竖向位移均随时间呈现先增大后减小的规律,与土体中非饱和区的发展具有一定的协同性;不同充气压力下,偏向充气点上游的坡体表面土体竖向位移随充气压力的增大而增大,偏向充气点下游的坡体表面土体竖向位移的变化具有不确定性。

滑坡充气截排水有效性数值模拟

为验证充气截排水在实际滑坡中能有效控制坡体地下水位和坡体稳定性,本文以小旦滑坡为例,在滑坡变形破坏发展特征分析和形成机制研究的基础上,采用数值模拟方法研究了充气截排水技术应用在此类滑坡治理中应用的有效性。通过二维有限元数值模拟,分析了不同充气压力下坡体稳定性的变化规律。结果表明:在滑坡后缘适当位置进行充气能够形成稳定的非饱和截水帷幕,达到降低潜在滑坡区地下水位的目的;小旦滑坡的最佳充气压力值为125kPa,在最佳充气压力作用下,小旦滑坡坡脚未开挖状态下稳定性系数由1.144增大到1.209,开挖状态下的稳定性系数由1.106增大到1.139;雨季边坡后缘入渗量增大的情况下,充气截排水对滑坡稳定性的提高作用更为显著。

充气截排水对弃土场边坡稳定性影响的数值模拟研究

弃土场边坡是一种内部物质结构松散的人工边坡,其地下水渗流场的变化对边坡稳定性产生显著影响。充气截排水技术是近年来涌现的一种新的土坡加固方法,尤其适用于对渗流敏感的土坡,其特征在于形成非饱和区截水帷幕,从而降低潜在滑坡体的地下水位,提高边坡稳定性。为研究充气截排水技术应用于弃土场边坡加固的可行性,该文以气-水两相流渗、饱和-非饱和渗流理论为依据,以GeoStudio软件模拟为技术手段,研究了在潜在滑坡区地下水位线以下进行充气以实现边坡加固的方法,模拟了不同充气压力、不同充气方式、以及充气前后对弃土场边坡稳定性及截排水效果的影响。结果表明:①充气截排水法存在最佳充气气压,不同充气方式对启动气压和最佳充气气压有显著影响;②停止充气后,渗流场的再平衡过程不可逆,表现为地下水位线回弹量有限;③弃土场边坡的稳定性在维持充气过程中和充气后均得到提高。综上可知,充气截排水技术在弃土场边坡加固领域具有良好的应用前景。

充气截排水位置及压力选择数值模拟

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Geo-Studio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。

充气截排水影响因素数值模拟

充气截排水通过向坡体后缘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。土体中多孔介质的多相渗流问题很复杂,模拟技术往往是一种重要的研究方法。本次利用岩土工程软件Geo-Studio对影响充气截排水的部分因素进行了模拟,研究了充气点上覆土层厚度以及渗透性大小对截排水效果的影响。结果表明:模拟结果显示,充气截排水确实能起到截排后缘来水,降低坡体地下水位线的作用;充气点上覆土层在一定厚度范围内,厚度越大,其效果越好。超过该厚度范围,则截排水效果反而变差;充气点上覆土层渗透性对截排水效果有重要影响,且渗透性越小,截排水效果越好。

降低滑坡地下水位的充气截排水法最佳充气压力研究

充气截排水技术拟在潜在滑坡后缘或长边坡坡体上进行充气,在后缘来水路径上形成非饱和区,截断后缘汇水或减少后缘水流向坡体内的入渗,从而降低坡体内的地下水位,提高边坡的稳定性。为了探讨充气气压对充气截排水效果的影响,通过二维数值模型对不同气压下坡体水位变化进行分析,并通过物理模型试验对数值模拟结果进行验证,得出如下结论:在坡体中充气能显著降低坡体地下水位,截流减渗效果明显;对于特定坡体,存在与之对应的截排水起始充气压力和最佳充气压力;只有当充气压力大于截排水起始充气压力时,充气截排水才有效果,坡体前缘水位才会下降;当充气压力介于起始充气压力和最佳充气压力之间时,随着气压的增大,坡体前缘水位不断降低,充气截排水效果随气压增大而增大;当充气压力大于最佳充气压力时,充气截排水效果随气压增大而减小。

非饱和土层厚度与充气压力对截排水效果的影响

气驱水理论以及非饱和渗流理论已经在许多领域中得到广泛的应用,而将其应用于边坡防治领域则较少。通过向坡体后缘充入有压气体,可排除坡体中的部分地下水,形成非饱和土层,从而阻断或减小地下水流向下游潜在滑坡区,降低潜在滑坡区地下水位,提高边坡稳定性。多孔介质中气驱水理论属于多相流问题,采用有限元方法模拟研究了不同非饱和土层厚度边坡在允许充气压力下对截排水效果及地下水渗流场的影响。结果表明:地下水水层厚度和水头一定时,非饱和土层厚度越大,临界压力值越大,充气压力上限值越大,允许充气压力范围越大;坡体非饱和土层厚度一定,充气压力在允许范围内越大,截排水效果越好;截排水技术更适用于地下水埋深较浅的坡体;充气稳定后,充气区上游流速分布不均匀,充气区水流流速大幅下降,且相同充气压下非饱和土层厚度越小的坡体稳定后流速越小,充气区下游水位下降,水位线以下流速几乎不受充气和非饱和土层厚度的影响。

充气位置及压力对边坡截排水效果的影响

充气截排水主要依据非饱和渗流理论,通过向坡体后缘压入气体驱除部分地下水,形成非饱和帷幕带,降低土体的渗透性,截排斜坡后缘地下水的入渗,降低潜在滑坡体内地下水位。多孔介质的多相渗流问题相当复杂,模拟技术往往是有效的研究方法。笔者以试验得到的地下水位及渗流量为基础进行数值反演分析,得到土质参数,构建数值计算模型,研究不同充气位置对边坡潜在滑坡区地下水位的影响。结果表明:在坡体后缘压入气体能够降低潜在滑坡区的地下水位线;在坡体后缘充气时,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;充气点充气压力越大,潜在滑坡区的地下水位线下降得越多;选择充气点深度时,宜选择较深的充气深度,这样能够选择较大的充气压力。

坡体充气过程中气水两相流数值模拟

依据多相渗流和非饱和土理论,提出在潜在滑坡区后缘进行充气形成非饱和区,截排斜坡后缘来水向潜在滑坡区入渗,以降低潜在滑坡区的地下水位,提高边坡稳定性。采用长边坡二维有限元数值模拟方法,研究充气过程中坡体非饱和区气–水两相流运动特征和地下水位变化规律,为充气截排水技术运用于实际工程提供理论指导。通过分析充气点下游边坡地下水位的变化规律,论证充气截排水方法具有可行性;基于充气过程中非饱和区的扩展过程分析,将充气截排水分为3个阶段,即充气点附近非饱和区形成与扩展阶段、充气形成的非饱和区局部越过地下水位线的不稳定两相流阶段和充气形成的非饱和区基本稳定的截排水工作阶段;发现了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,且四者的变化具有良好的相关性,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,反之亦然,此规律的形成主要是气-水的流动性差异和相互驱动作用的结果。