堤坝基岩软弱结构面渗漏通道的形成、探测及数值模拟研究

摘要

国内外学者对堤坝渗透变形进行了大量的研究，取得了丰硕成果，但是把注意力主要集中在第四系松散层上。由于地质条件的复杂性，基岩软弱结构在适当条件下，可产生渗透变形、形成集中渗漏通道，这对堤内渗透变形造成一定的影响，它使得仅停留在松散层上的工程措施对根治堤内管涌有时难以奏效。 针对以往对基岩软弱结构形成集中渗漏通道的研究不足，本文在软弱结构面内讨论渗透变形问题。首先研究堤坝基岩集中渗漏通道的形成机制，详细讨论了水力冲刷与管涌形成机制；采取风化程度不同的岩样进行室内模拟试验，验证在适当条件下，软弱结构可形成集中渗漏通道；然后考虑示踪剂的弥散作用探测地下水水平流速；对于涌水含水层的水平流速，由于示踪剂不能直接进入含水层，提出垂向流测定与注水试验相结合的方法来解决这一难题；接着建立了基岩集中渗漏模型并进行数值模拟；最后将前述成果应用于工程实例。本文主要工作如下： (1)研究了软弱结构面在适当地质条件下，可形成集中渗漏通道。讨论了软弱结构面地下水冲刷形成机理，给出了位于不同部位的土体颗粒受水流冲刷起动的临界流速计算公式，探讨了土体颗粒受水流冲刷而起动的随机性。 (2)针对红层基岩软弱结构面能否形成集中渗漏通道，在野外采取了不同风化程度的岩样，在室内分别进行浸泡、化学溶蚀试验、水力冲刷试验，并适当地进行了对比试验。结果表明红层作为堤坝基岩，在适当的自然条件下，可产生溶蚀。设计一种岩体裂隙受水流冲刷的试验装置，采用改变流向的方法，定性、定量地论述了地下水造成裂隙冲淤、岩块膨胀使隙宽变小，与软弱结构面受水流冲刷表面颗粒流失使裂隙变大的对比关系。 (3)为了能够采取钻孔中指定深度的水样，为示踪技术提供指定点的未受外界水混和的原状水样，研制了定点取样器——弹簧压卡式取水器。该成果已取得实用新型专利。 (4)分析了广义稀释定理的局限性，考虑沿孔纵向示踪剂弥散作用，忽略横向弥散的影响，提出了考虑弥散作用的地下水水平渗透流速测定方法。 (5)论证了对具有天然水力坡度的涌水含水层，其涌水量仍可用相关井流公式来计算。对于涌水含水层的水平流速，由于示踪剂不能直接进入含水层，提出与注水试验相结合的方法来测定。 (6)提出基岩软弱结构形成集中渗漏通道模型，并进行了数值模拟，讨论了集中渗漏通道与堤内管涌的关系。 (7)将综合探测技术应用实例。在前人工作的基础上，针对石角段堤内管涌屡屡不得根治的工程实际情况，首次将地质条件与综合示踪技术较为完整地结合起来。首先从地质条件入手，详细阐述了基岩红层发育有软弱结构——新构造断裂，在合适的条件下，断裂可形成集中渗漏通道，然后以综合示踪技术，探测出石角管涌多发地段基岩确实存在集中渗漏通道，对下一步采取工程措施具有科学的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

前言

声明

第一章绪论

1.1选题背景及意义

1.2国内外堤坝破坏研究概况

1.2.1管涌与流土

1.2.2管涌研究现状

1.3岩体渗流及软弱结构研究状况

1.3.1岩体裂隙渗流研究状况

1.3.2软弱结构研究状况

1.4堤坝集中渗漏常规探测方法

1.4.1电法勘探技术

1.4.2 CT技术

1.4.3探地雷达技术

1.5示踪技术探测堤坝渗漏通道研究现状

1.5.1水的天然示踪研究状况

1.5.2水的人工示踪方法研究状况

1.6本文所做的工作

第二章基岩集中渗漏通道的形成机制

2.1软弱结构面及其泥化

2.1.1结构面及软弱结构面的含义

2.1.2软弱结构面的分类

2.1.3软弱结构面的泥化

2.1.4软弱结构面的地质特征

2.2软弱结构面渗透变形类型分析

2.3软弱结构面水流冲刷形成集中渗漏通道机制

2.3.1软弱结构面水流冲刷一般特性

2.3.2土体颗粒受水流冲刷起动的临界流速

2.3.3土体颗粒受水流冲刷起动的随机性及相应的隙宽

2.4软弱结构面管涌形成机制

2.4.1软弱结构面管涌的一般特性

2.4.2颗粒孔隙通道

2.4.3管涌发生后渗透系数的变化

2.5软弱结构面形成集中渗漏通实例

2.5.1红层中形成集中渗漏通道

2.5.2贝壳碎屑岩中形成集中渗漏通道

2.6本章小结

第三章软弱结构面水文地质特性室内试验研究

3.1试验研究意义

3.2岩样浸泡与溶蚀试验

3.2.1弱风化岩样浸泡及溶蚀试验

3.2.2强风化岩样浸泡试验

3.3水力冲刷试验

3.3.1试验装置

3.3.2试验过程

3.3.3试验数据处理

3.4本章小结

第四章基岩集中渗漏通道示踪探测方法研究

4.1概述

4.2取样要求及方法

4.3定点取样器——弹簧压卡式取水器的研制

4.3.1研制背景及意义

4.3.2取样器设计与取样实施

4.3.3应用——北江大堤测压管中定点取样

4.4考虑弥散作用的示踪稀释测流物理模型研究

4.4.1微元法建立广义稀释定理模型

4.4.2新公式的求解

4.4.3与传统点稀释公式之间的联系

4.4.4垂向流的计算

4.5涌水含水层水文地质参数的测定

4.5.1放射性同位素示踪剂的选择、防护及示踪仪器

4.5.2含水层涌水性质的分类及参数测试手段

4.5.3涌水含水层渗透系数K的测定方法

4.5.4误差分析

4.6工程实例

4.6.1考虑弥散作用的地下水水平流速探测实例

4.6.2涌水含水层渗透系数K的测定实例

4.7本章小结

第五章基岩集中渗漏通道的数值模拟

5.1模型的建立

5.1.1基本假设

5.1.2模型的建立——集中渗漏模型

5.1.3控制方程的建立——连续方程与Navier-Stokes方程

5.2控制方程的简化

5.2.1第四系松散层区域及过渡区域

5.2.2等效平板裂隙区域

5.2.3边界条件的确定

5.3数值模拟

5.3.1数学模型

5.3.2边界条件及相关参数

5.3.3数值模拟

5.3.4数值模拟结果讨论

5.3.5数值模拟与实测资料对比

5.4本章小结

第六章北江大堤红层堤基存在集中渗漏通道及示踪技术的综合应用

6.1概述

6.2基岩红层地质构造

6.3集中渗漏通道的形成

6.4集中渗漏通道的探测

6.4.1地下水流速流向探测

6.4.2水化学成分及环境同位素示踪探测

6.4.3温度场特征

6.4.4连能通试验

6.5本章小结

第七章结论

7.1全文总结

7.2研究展望

参考文献

攻读博士期间发表的论文

攻读博士期间参加的基金项目

攻读博士期间申请的专利

致谢