地下水结晶堵塞排水管规律及对高边坡稳定性影响研究

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大量工程实践表明,在短时强降雨或地下水丰富条件下,边坡工程排水系统设计不合理或排水功能失效是造成其失稳的重要原因之一,高边坡工程尤为突出。地下水结晶堵塞排水系统是导致排水系统功能失效的重要因素。针对高边坡工程排水管结晶堵塞问题,通过现场调查、室内试验、数值分析等手段,探索了排水管壁结晶机理,揭示了地下水结晶影响因素和结晶堵管演化规律,研究了排水管不同堵塞程度对高边坡支护结构受力、变形和稳定性的影响规律,通过对比分析,得到了一些具有理论意义和应用价值的成果,具体如下:
  (1)选取了西南山区排水管结晶堵塞的两个典型高边坡工程,采取了结晶体和地下水试样,开展了结晶物的微观晶型电镜实验和组份XRD实验,地下水离子组份及酸碱度实验,探索了高边坡排水管结晶堵塞机理。研究结果表明:结晶物微观形态以菱形粒状或块状为主,集合体呈现不规则的嵌晶状,结晶体成分主要为碳酸盐,以方解石为主,含少量粘稠状杂质等;地下水阳离子以Ca2+、Mg2+、Na2+为主,阴离子SO42-、CO32-、HCO3-等为主,地下水均为弱碱性;Ca2+和CO32-?饱和指数SI大于0时晶体物形成的先决条件;晶体物形成须将经过饱和溶液的形成、晶核的形成、晶体生长等三个阶段。
  (2)研制了高边坡排水管道结晶的试验装置,开展了排水管道在不同过水面积、不同管壁内表面粗糙程度、不同流水速度、是否空气接触等8组结晶规律的室内试验研究。试验结果表明:溶液由出口经过空气进入溶液循环试验的管壁结晶量比溶液由出口直接进入溶液的大,大30%以上;在流速恒定时,过水断面为半管时的管壁结晶质量大于全断面过水,大50%左右;试验管为波纹管的结晶质量大于表面光滑管壁,增加1倍以上;流速越大试验管壁结晶质量越小,流速越小管壁结晶质量越大,流速为0.2m/s比流速为0.4m/s的结晶质量大30%左右。
  (3)提出了“以板带孔法”模拟排水孔的新思路,建立了框架式格构支护型式的高边坡数值模型,分析了边坡排水孔正常排水、开始堵塞、轻微堵塞、部分堵塞、较重堵塞、严重堵塞、堵塞失效等7个工况的坡体地下水位和支护结构的力学响应。分析表明,高边坡排水孔部分堵塞后,坡体的地下水位显著抬升;坡趾剪出口位置出现了较大的侧向位移,有向外挤出的趋势,排水孔完全堵塞后,这种特征表现更加明显;排水孔堵塞后临近坡趾剪出口的格构应力变化较大,锚杆轴力大幅增加,其中位于自由水面之下的锚杆段更加明显,增幅在30%以上;随边坡排水孔堵塞系数增大,安全系数减小,当堵塞系数大于0.67时,稳定性系数不能满足边坡稳定要求。
  (4)建立了锚拉桩支护型式的高边坡数值模型,计算分析了该高边坡工程的排水孔不堵塞、堵塞20%、堵塞40%、堵塞60%、堵塞80%、堵塞100%等6种工况下的地下水位和支护结构的力学响应。由计算结果分析可知:排水孔堵塞后,虽然地下水位显著变化,随排水孔堵塞程度增大地下水位上升,且呈非线性升高,当堵塞达到80%时地下水位急剧升高;随排水孔堵塞程度增大,坡趾位置抗滑桩侧向位移较大,尤其是常水位以下部分增大较为明显;桩体顶部由于受到锚索的约束,其侧向位移无明显变化;随排水孔堵塞程度增大,桩间岩土体的土拱效应明显,且地下水位越高,效应效应越明显;随排水孔堵塞程度增大,锚索轴力增大,且最大值向桩侧靠近,完全堵塞后锚索轴力增加了70%。
  (5)根据排水管结晶堵塞机理,提出了高边坡排水管内壁表面植绒防结晶、电场防结晶、磁场防结晶、排水管内壁表面涂层防结晶、排水管直径可变防治结晶、自清洁和电场混合防治结晶等6种技术。对排水管内壁表面植绒防结晶技术和电场作用下防结晶技术进行了相应试验验证。
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