【摘 要】
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长距离输水工程在经过裂隙发育地区时,受风化侵蚀或地质构造的影响其岩土体内部并非处于完全密实状态,其岩体内部的裂隙和孔隙会对边坡内部的渗流场、位移场产生重要的影响,进而导致渗透破坏。但目前针对大型输水工程的渗流研究主要集中在排水方案、渠道衬砌的稳定性及其影响因素等方面,很少考虑裂隙渗流。针对裂隙渗流的研究主要集中在裂隙渗流机理、裂隙几何特征分布规律等方面。针对含裂隙的岩质渠道边坡渗流及边坡稳定性方面
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长距离输水工程在经过裂隙发育地区时,受风化侵蚀或地质构造的影响其岩土体内部并非处于完全密实状态,其岩体内部的裂隙和孔隙会对边坡内部的渗流场、位移场产生重要的影响,进而导致渗透破坏。但目前针对大型输水工程的渗流研究主要集中在排水方案、渠道衬砌的稳定性及其影响因素等方面,很少考虑裂隙渗流。针对裂隙渗流的研究主要集中在裂隙渗流机理、裂隙几何特征分布规律等方面。针对含裂隙的岩质渠道边坡渗流及边坡稳定性方面的研究较少。山东省胶东调水工程是南水北调东线工程中山东“T”字型调水调水大动脉的重要组成部分,是缓解胶东地区水资源供需矛盾的重要水利基础设施。但该工程莱州段部分渠段,位于低山丘陵区,裂隙发育,自通水以来,每次停水后工程检查,均会出现渗透破坏,严重影响工程安全和供水安全。根据调查,渗透破坏位置呈点状,无规律,渗透破坏受裂隙影响大,因此开展针对裂隙渗流的研究具有重要意义。本文以胶东调水工程莱州段为研究对象,建立渠道边坡二维随机裂隙模型,采用有限元数值模拟的方法,考虑不同降雨条件、不同边坡介质、不同地下水位对渠道边坡渗流场分布和位移场的影响,并将渗流作用与应力作用进行耦合,采用强度折减法对渠道边坡的稳定性进行综合分析,主要研究内容和成果如下:(1)依据露头观察、水文地质调查地勘资料以及钻孔岩心资料,分析了裂隙的几何参数分布。以裂隙的分布情况为样本,基于蒙特卡洛法,采用matlab语言,编制了程序,可生成符合实际岩体裂隙分布的二维随机裂隙网络。(2)构建了渠道边坡裂隙渗流模型和孔隙渗流模型,进行了渗流场的模拟,对裂隙渗流模型和孔隙渗流模型条件下的体积含水量、降雨边界入渗率和压强变化、孔隙水压力的分布情况进行了研究,对不同地下水位、不同降雨条件下渗流场随时间的演变情况进行了研究。结果表明:(1)地下水位相同时,入渗水流随降雨时长增加对坡内流场的影响逐渐增大,流速加快;随地下水位升高和降雨时长增加,初始地下水的流动趋势逐渐减小;(2)降雨条件不同时,边坡孔隙模型和裂隙模型的体积含水量和孔隙水压力的入渗深度随降雨强度的增大而减小,入渗区域体积含水量、孔隙水压力随降雨强度的增加而增加;在相同降雨强度下,孔隙水压力的入渗深度,裂隙模型明显大于孔隙模型的,孔隙水压力则相反;(3)采用孔隙模型时,降雨强度的变化对边界入渗率和边界压强的影响不大,但裂隙模型的边界入渗率和边界压强对降雨强度的变化比较敏感。(3)建立了考虑边坡渗流场和位移场的流-固耦合模型,对应力分布、塑性变形、总位移以及渠道衬砌板的受压情况等进行了研究,结果表明:(1)孔隙模型和裂隙模型在降雨后边坡内部整体应力分布都有所增加,且坡脚位置出现应力集中现象;(2)随着强度折减系数的增加,裂隙模型和孔隙模型中的塑性变形和位移都逐渐增大,在裂隙模型中形成了贯通坡顶和坡脚的塑性变形区,孔隙模型未形成贯通区;(3)在降雨强度不同时,边坡裂隙模型的安全系数始终小于边坡孔隙模型的安全系数,但最大总位移值以及在位移发生突变时的位移增长率裂隙模型要大于孔隙模型;(4)同一地下较低时,雨强较大时渠道衬砌板压力上升幅度较大,雨强较小时渠道衬砌板压力几乎没有变化。(4)构建裂隙边坡稳定模型,通过改变地下水位条件,对裂隙模型在不同地下水位条件下,边坡稳定性进行研究,结果表明:随着地下水位的上升,边坡极限平衡状态时的最大位移值逐渐增加,但其安全系数逐渐减小;在同一地下水位、降雨量相同时,最大位移和安全系数与雨强呈负相关,但在地下水位较低时,边坡最大位移对雨强变化不敏感。本文的研究对长距离输水工程在裂隙发育地区的排水设计、扬压力破坏防止、边坡防护具有指导意义,对保障胶东调水工程安全,保证供水安全具有现实意义。
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