（道路与铁道工程专业论文）富水高陡路堑边坡深层排水技术研究.pdfVIP

摘要 高速公路边坡的稳定是确保公路安全运行的重要条件，开展高速公路边坡稳 定性分析与处治技术的研究，对快速发展的高速公路建设、实现道路的安全运行 具有十分重要的意义。为此，本文依托湖南省怀新高速公路k 3 9 + 1 6 5 5 k 3 9 + 5 0 1 5 段富水高陡路堑边坡，开展了边坡深层排水技术及稳定性监测的研究。 首先，采用有限元软件a n s y s 模拟分析了路堑边坡地下水的渗流情况，利 用对不同排水孔孔径、孔长、孔距设置方案的渗流场分布对比分析，得出孔径、 孔长、孔距变化对排水渗流场分布的影响范围以及作用效果；并结合实体工程， 分析了排水孔沿高程双排布置的情况下边坡渗流场分布，得出排水孔沿高程多排 布置能显著改善排水效果，从而确定了富水高陡路堑边坡排水孔幕的设计方案。 同时，在参考国内外排水管的技术基础上，根据安全、经济、合理的原则，改进 设计了一款弹簧骨架式渗水的深层排水软管。 然后，通过实体工程地质勘察和水文条件调查情况，并结合有限元对排水管 的分析结果，确定了深层排水管埋设的具体方案。根据深层排水的特性制定了相 应的施工工艺流程：测量布孔一一循环钻进一一取钻拔套一一安装渗水管一一移 机和后续工作，确定了施工质量的控制要求。相比锚杆框架梁防护工艺，深层排 水技术在防护机理上更加合理，施工工艺上更加简单，施工造价上也有了大幅降 低。为同类工程提供了参考。 最后，利用g p s 和测斜管对边坡地表位移与内部变形情况进行了监测，通过 对连续1 8 个月多次监测结果的分析表明，最大地表变形为4 1 4 m m ，最大内部变 形只有1 0 m m ，均小于一级允许变形o 0 0 2 5 h ( 办为边坡的高度) 的1 2 3 7 5m m ，得 出边坡稳定，进一步验证了深层排水处治后边坡具有良好的稳定性。 总之，本文研究的深层排水技术对富水高陡路堑边坡的处治具有重要的理论 和实际意义及工程应用价值。 关键词：富水；高陡；路堑边坡；渗流；排水孔；监测 a b s t r a c t t h es t a b i l i t yo fh i g h w a ys l o p ei st h ei m p o r t a n tc o n d i t i o n sf o rs a f e t ym o t i o no f h i g h w a y ，t h er e s e a r c ho fs t a b i l i t ya n a l y s i s a n dt r e a t m e n tt e c h n o l o g yf o rh i g h w a y s l o p eh a v ev e r yi m p o r t a n tm e a n i n gf o rc o n s t r u c t i o no fr a p i dd e v e l o p m e n th i g h w a y a n dr e a l i z a t i o no f r o a ds a f em o t i o n t h e r e f o r e ，b a s e do nt h ew a t e r - r i c ha n dh i g h 。s t e e p c u t t i n gs l o p ew i t hk 3 9 + 1 6 5 5 k 3 9 + 5 0 1 5o fh u a i x i ne x p r e s s w a yi nh u n a n p r o v i n c e ， t h ed e e pd r a i n a g et e c h n o l o g ya n dt h es t a b i l i t ym o n i t o r i n go fs l o p ew e r es t u d i e d i nt h i s a r t i c l e f i r s t l y ，t h es e e p a g es i t u a t i o n o fc u t t i n gs l o p eg r o u n d w a t e ri ss i m u l a t e da n d a n a l y z e dw i t ht h ef i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ea n s y s c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h e s e e p a g ef i e l dd i s t r i b u t i o no fs e t u pp l a nf o rh o l ed i a m e t e r , h o l el o n g ，h o l ed i s t a n c et o d i f f e r e n td r a i n a g eh o l e s ，i tg e t st h a tt h ei n c i d e n c ea n de f f e c tf o rc h a n g e so fh o l e d i a m e t e r ，l o n gh o l e ，h o l ed i s t a n c et od r a i n a g es e e p a g ef i e l dd i s t r i b u t i o n c o m b i n e d w i t ht h er e a lp r o j e c t ，i td i s c u s s e st h ed i s t r i b u t i o no fs l o p es e e p a g ef i e l d u n d e r d r a i n a g eh o l e sl a y i n gd o u b l er o wa l o n ge l e v a t i o n ，a n d d r a w st h a td r a i n a g eh o l e s l a y i n gm u l t i r o wa l o n ge l e v a t i o nc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v ed r a i n a g e e f f e c t s oi t d e t e r m i n e st h ed e s i g np r o je c tf o rd r a i n a g ec u r t a i no fw a t e r _ r i c ha n dh i g h 。s t e e pc u t t i n g s l o p e a tt h es a m et i m e ，o nt h eb a s i so ft h ed r a i n a g ep i p et e c h n o l o g ya t h o m ea n d a b r o a d a c c o r d i n gt ot h es a f e ，e c o n o m i ca n dr a t i o n a lp r i n c i p l e s ，ad e e pd r a i n a g eh o s e w i t hs p r i n gf r a m e w o r ks e e p a g es k e l e t o ni si m p r o v e da n dd e s i g n e d t h e n ，t h r o u g ht h eg e o l o g i c a lp r o s p e c t i n ga n d t h eh y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n ss u r v e y i nt h er e a le n g i n e e r i n g ，c o m b i n e dw i t ht h er e s u l t so fd r a i n a g ep i p e sw i t h f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，t h es p e c i f i cb u r i e dp r o je c to fd e e pd r a i n a g ep i p e si s i d e n t i f i e d m o r e o v e r ，a c c o r d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd e e pd r a i n a g e ，c o r r e s p o n d i n gc o n s t r u c t i o n t e c h n 0 1 0 9 yi se s t a b l i s h e d ：m e a s u r e m e n th o l ea r r a n g e m e n t c i r c u l a t i o nd r i l l i n g d r i l l i n gt a k e ns e t sd r a w n - i n s t a l l a t i o no fd e e pw a t e rp i p e s s h i f ta n df u t u r ew o r k ， a n dt h ec 0 n t r o lr e q u i r e m e n t so fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi sd e t e r m i n e d c o m p a r e dt o t h ea n c h o rf r a m eb e a mp r o t e c t i v et e c h n o l o g y ，t h ed e e pd r a i n a g et e c h n o l o g y o n p r o t e c t i o nm e c h a n i s m i sm o r er a t i o n a l ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi s m o r es i m p l e ， c o n s t r u c t i o nc o s t si sa l s og r e a t l yr e d u c e d i tp r o v i d e sa r e f e r e n c ef o rs i m i l a rp r o j e c t s f i n a l l y ，s l o p es u r f a c ed e f o r m a t i o na n di n t e r n a ld i s p l a c e m e n ta r em o n i t o r e db y u s i n gg p sa n di n c l i n o m e t e r m o n i t o r i n gr e s u l t sf o rm a n yt i m e s i n18m o n t h sa r e l l a n a l y z e d t h el a r g e s ts u r f a c ed e f o r m a t i o ni s41 4m m ，a n dt h el a r g e s ti n t e r n a l d e f o r m a t i o ni so n l y10m m ，a l la r el e s st h a nt h ef i r s to r d e ro fa l l o w i n gd e f o r m a t i o n 1 2 3 7 5m mo fo 0 0 2 5 h ( | li st h eh e i g h to fs l o p e ) s l o p es t a b i l i t yi sg o t ，a n di ti sf u r t h e r v a l i d a t e dt h es l o p eh a sag o o ds t a b i l i t ya f t e rt h ed e e pd r a i n a g et r e a t i n g i nb r i e f , t h er e s e a r c ho fd e e pd r a i n a g et e c h n o l o g yh a sv e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a l ， p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n v a l u ef o rt h et r e a t m e n to f w a t e r r i c ha n dh i g h - s t e e pc u t t i n gs l o p e k e yw o r d s ：w a t e r - r i c h ；h i g h - s t e e p ；c u t t i n gs l o p e ；s e e p a g e ；d r a i nh o l e ； m o n i t o r i n g i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 力日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 同期：矽夕 5 年莎月7h 同期：胁月乙日 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着我国国民经济的快速发展，以高速公路为代表的高等级公路迅猛发展， 高速公路己由平原进入山区，山区高等级公路建设越来越多，由此带来的高填、 深挖路基也将增多。由于工程的需要，往往在一定程度上破坏或扰动了原来较为 稳定的斜坡面形成了新的人工边坡。这些边坡工程的稳定状况，事关工程建设的 成败与安全，对工程的可行性、安全性及经济性等起着重要的制约作用，并在很 大程度上影响着工程建设的投资及使用效益。因此，正确评判边坡稳定性，是非 常重要的 1 - 4 】。 富水高陡路堑边坡的稳定性分为开挖阶段的稳定性和成坡后的长期稳定性。 开挖阶段坡体暴露后，坡体内部应力迅速调整并重新分布，边坡将进一步变形， 可能演化为崩塌或滑坡。高陡路堑边坡的变形演化是与时间有关系的动态系统， 由于开挖面大，影响范围也大，容易受降雨等外界因素影响下出现破坏。相关资 料表明 5 - 6 】，我国的边坡失稳大多与水有关。近年来我国地质灾害频繁发生，山体 滑坡现象屡见不鲜，造成了大量的人员伤亡和财产损失，究其原因，绝大部分与 大气降雨有着十分密切的关系。由此可见，水对边坡稳定的影响很大。 富水边坡大量存在于湖南省等南方湿热地区，降水量大且地下水位高，使得 挖方边坡岩土体长期受到地表水和地下水的渗透作用而处于潮湿或过湿状态。水 的渗透作用不仅降低了土体的强度参数，而且产生的静水压力和动水压力造成边 坡受到不利的附加力作用。理论分析表明，岩土体饱水状态下边坡的稳定性系数 比干燥状态时低o 5 0 8 ，所以边坡内部深层水的作用大大降低了边坡的稳定性， 甚至导致边坡的水毁和滑坡【7 】。实践表明，在高速公路建设中每年为此需要投入 大量的工程变更费用用于边坡此类问题的整治。 近几年我省的高速公路建设已逐渐向湘西延伸，而我省西部地区多为山岭重 丘区，山高岭大，降雨充沛，地下水丰富。同时，山区高速公路受地形的限制， 为满足规范线形和技术标准的要求，高速公路路基填挖工程量十分巨大，富水高 陡边坡非常频繁，愈来愈多的岩土体边坡地下水成为重要的关键问题之一。因此， 结合我省高速公路修建的实践，开展富水高陡路堑边坡深层排水技术研究是十分 必要的。 1 2 研究意义 本文研究的意义在于： ( 1 ) 在设计阶段和路基挖方施工初期就对高陡挖方边坡进行系统的工程地质 分析和稳定性评价，基于此提出合理的加固设计，及时地应用于施工中，能保证 边坡稳定，减少工程安全隐患，降低建设投资，加快工程进度，避免公路建设对 山体自然环境造成更大的破坏，也更利于公路沿线生态尽早恢复，实现公路建设 与环境保护可持续发展的目标【8 1 。 ( 2 ) 为富水高陡路堑边坡治理和设计提供典型案例，所选边坡具有代表性，其 研究成果不仅有益于同类公路的建设与运营安全，而且对山区公路建设也具有很 高的参考价值。 ( 3 ) 在富水高陡路堑边坡中设置深层排水管，及时排出坡体内的地下水，能有 效地提高边坡的稳定性，保护路基。目前，深层排水管在边坡加固工程中已开始 得到应用【9 1 ，但就总体而言，国内外在这方面还处于初始阶段【1 们，为此，开展高 速公路富水高陡路堑边坡深层排水技术的研究并开发深层排水管具有重要的理论 和实践意义。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 渗流分析的一般方法 渗流计算的方法很多，但归纳起来就是两大类，即理论分析方法j 和试验分 析方法【12 1 。 理论分析方法又可分为流体力学法【1 3 】和水力学法【1 4 】两类。流体力学法是根据 流体力学的基本原理【1 5 1 和边界条件1 6 1 直接解渗流问题的一种方法，计算结果比较 准确，可以计算渗流场中任一点处的渗流要素( 如渗透水头、渗透压力、渗透坡降、 渗透流速和通过任意截面的渗流量f 1 7 1 ) ，但是这种方法比较复杂，目前只能对几 种比较简单的渗流边界有解答。水力学法是建立在对渗流条件作某些简化假定基 础上的一种方法，计算比较简单，能用于计算各种实际渗流问题，但这种方法只 能得到渗流场中某一截面上的平均渗流要素，而不能计算出渗流场任意一点处的 渗流要素，同时由于基本假定与实际情况有一定的出入，所以计算结果存在一定 的误差【l 引。为了弥补这一缺陷，目前采取的方法是用流体力学方法和试验方法的 成果对水力学法进行局部的修讵1 1 9 ，2 0 1 ，以提高计算精度。 从计算技术上看，理论分析法又可以分为解析法、数值方法和图解法1 2 。其 中解析法又可分为直接解法、复变函数法、组合法和水力学法1 2 2 1 ；数值方法又可 分为有限单元法、边界元法和差分法等。 直接解法是采用直接解渗流基本微分方程【2 3 】的方法来计算渗流要素的一种 2 方法；复变函数法【2 4 】是利用复变函数保角变换理论，将实际的渗流问题变换为一 个己有解答的区域，从而使问题获得解答；组合法 2 5 】是将复杂的渗流区域划分为 几个简单的渗流区域段来进行计算的一种方法；有限单元法是将实际的渗流场离 散为有限个以结点相互联系的单元体，并首先求得单元体结点处的水头，同时假 定在每个单元体内的渗透水头成线性变化，因而可以求得渗流场中任点处的水头 和其他渗流要素；差分法是将渗流基本方程转变为差分方程，采用逐步逼近的计 算方法来求得渗流场中各点处的水头1 2 6 】；图解法是采用绘制渗流区域流线和等势 线的网状图形1 2 7 】，并据以计算渗流要素的方法。 目前常用的试验方法有：砂槽模拟法、粘滞流模型法、水力网模型法和水力 积分仪法、电拟试验法和电阻网模型法【28 3 0 1 ，这些通常被认为是比较精确的方 法，常被用于模拟有复杂结构物的渗流场。 1 3 2 有深层排水孑l 渗流场的有限元分析 深层排水孔作为富水边坡处理工程中的一种排水设施，起着对边坡渗流场排 水降压的作用，同时对渗流场的分布影响极大【3 1 1 ，分析边坡渗流场时，就得考虑 排水孔的排水降压作用。排水孔孔径一般为5 15 c m ，孔距为2 8 m ，长度为 l o 6 0 m ，在一个边坡中往往布置一层或多层，数目达几条甚至上百条。排水孔孔 径与边坡尺寸比较起来，相差甚大，比例达千倍，这样，在含深层排水孔渗流场 的有限单元法分析中，排水孔局部区用加密网格的手法模拟排水孔的渗流行为， 则计算网格必会十分复杂，网格形状很难符合要求，网格单元及节点会过分的多， 计算效率低，解题精度下降，计算时间过长，甚至出现计算机容量不够，无法解 题的现象。 g u r e g h i a n ( 19 7 5 ) 提出把排水孔作为计算域内给定水头的边界条件用有限元求 解【32 。由于排水孔直径仅1 0 c m 左右，与计算域尺寸相比小得多，将使计算网格 过分复杂，未知数增加到不合理程度。所以许多学者一直在探索能对排水孔进行 处理的方法。 工程上经常采用的近似方法是将排水孔作为有限元网格中的一个给定水头的 节点处理，这种方法使问题大为简化而为国内外工程界广泛采用。而事实上排水 孔的排水效果与其孔径密切相关，王镭( 1 9 8 2 ) ，张有天( 1 9 8 2 ) 通过分析认为将排水 孔作为一个点处理完全没有反映排水孔的尺寸效应，常产生显著的误差【3 3 1 。此后， 张有天( 1 9 8 2 ) ，f i p p s ( 1 9 8 6 ) 对在如何以点代孔的基础上反映排水孔径的影响来减 少误差方面做了进一步的研究1 3 4 , 3 5 】，提出了控制排水点相邻单元尺寸与排水孔半 径比例的改进方法，但计算结果仍不可靠。 张有天( 1 9 8 9 ) ，朱伯芳( 1 9 8 2 ) 用边界元、有限元混合分析有排水孔的渗流场， 但只是以平面问题为对象，没有考虑三维效应 3 6 , 3 7 。 关锦荷( 1 9 8 4 ) ，杜延龄( 1 9 8 4 ) 提出以排水沟代替排水孔幕，并用杆单元反映排 水孔附近绕流渗径长度，也未能反映排水孔的三维效应f 3 8 , 3 9 。 王镭( 1 9 9 2 ) ，朱岳明等( 1 9 9 2 ) 提出排水子结构算法，能在计算工作量不增大很 多的条件下，模拟不穿过自由水面时排水孔的实际渗流行为，能反映出排水孔的 三维及尺寸效应1 4 0 , 4 1 】。朱岳明等对这种方法进行了改进，提出了改进排水子结构 法，朱军( 2 0 0 1 ) 进一步完善了这种方法。其基本思想是，根据排水孔的走向，布 置较为合适的母单元，于母单元内围绕排水孔再布置尺寸较小的单元，逐步过渡 到与母体单元周边相衔接，从而形成一个“子结构 ，并根据排水孔的性质，将排 水孔壁面上的结点视为约束结点。同时为解决存储量过大问题，对子结构引用了 “凝聚”方法，将排水孔的作用效应，“凝聚 到母单元结点上。改进排水子结构 法算法理论上严密、可靠，模型较真实全面地模拟了排水孔的作用机制和效应， 比较圆满地解决了排水孔模拟的问题。 朱岳明( 1 9 9 7 ) 采用改进排水子结构方法模拟排水孔排水机理的方法对龙滩碾 压混凝土坝的排水孔幕的布设模式进行了研究，分析了就孔径、孔距等因素对有 排水孔的混凝土坝的渗流场分布的影响，并对混凝土坝排水孔布设设计提出了自 己的看法【4 2 1 。 比较而言，排水子结构法是一种能够圆满解决模拟排水孔渗流问题的方法， 全面揭示了排水孔的作用。但是，排水子结构法用于众多排水孔时，其子结构的 形成与计算工作是巨大的。另外，由于排水孔子结构母单元剖分及子结构的形成 取决于排水孔的走向，因此，当排水孔的位置、间距、走向、方位需要改变时， 不仅子结构形成必须从头开始，而且有限元分析区域的网格也得重新调整，这一 工作量之大是众所周知的。在实际工程设计中，相对较优的渗控措施布置方案往 往在需要在大量的方案比较的基础上才能最终确定。此时，子结构方法作为渗控 优化的计算手段来说，就显得不够灵活，工作量过于繁重。尤其是对于复杂的渗 控排水系统进行优化分析比较时，显得力不从心。这样一些学者开始寻求近似模 拟排水孔的方法，将解析法与有限元法相结合模拟排水孔的方法。 杜延龄等( 19 9 1 ) 总结了工程中常用的与排水井列等效的排水沟来模拟排水井 列的方法，并提出了用杆单元模拟的方法，但仍属近似方法”引。 詹美礼等( 2 0 0 0 ) 提出了解析法和有限元相结合的方法，将排水孔的作用效应， 用排水孔的空间位置，走向及其边界性质的有关几何参量加以描述。解决了当排 水孔布设方位、长度变化较大，和排水孔优化布设研究中模型变化较大的渗流场 有限元求解问题1 4 4 , 4 5 j 。 王恩志等( 2 0 0 1 ) 提出“以管代孔 的方法来模拟排水孔1 4 6 1 ，进而提出“以缝 代井列”( 2 0 0 2 ) 的方法模拟排水孔幕。这种方法大大简化了排水孔模拟的建模问 题，能有效模拟岩体中排水孔个体的排水情况，有着重要的实用意义。 4 1 3 3 渗流场自由水面有限元模拟 地下水渗流，作为渗流域边界的自由水面位置是待求的，即渗流域范围未知， 这类渗流问题通常需要迭代求解。如何高效简捷地处理并确定出渗流自由水面及 渗流溢出点位，并保证迭代过程收敛的稳定性是该问题的关键所在，多年来这一 问题都没得到完全的解决。 这类具有自由水面的渗流问题的传统的有限元分析方法是将自由水面当作可 变边界处理，在迭代过程中修改自由水面位置，使网格发生相应变形，直到自由 水面位置稳定为止1 4 。这一方法虽被成功应用到渗流问题的分析，但在应用实践 中遇到了许多难以解决的问题。方法本身也存在重大缺陷，主要有以下几个方面： ( 1 ) 每一迭代步计算网格都要随自由水面的变动而变动，总体传导矩阵要重新 计算和分解，工作量太大。 ( 2 ) 当初始自由水面位置与最终自由水面相差较大时，将使网格因过分变形而 导致单元畸形。 ( 3 ) 自由水面附近有不均匀介质，特别是近似水平分层时，网格移动会破坏介 质分区边界，使计算结果失真。 ( 4 ) 在研究渗流与应力耦合作用中，由于应力分析经常包括自由水面以上部 分，因而不能用同一网格进行耦合作用分析。 为解决以上问题，国内外学者致力于寻找有自由水面渗流分析的新方法，其 研究核心就是计算中不变网格。 n e u m a n 于1 9 7 3 年提出用不变网格分析有自由水面渗流的g a l e r k i n 方法【4 8 1 。 d e s a i 于1 9 7 6 年提出剩余流量法，并于1 9 8 3 年发展到用于计算不稳定流【4 9 1 。 1 9 7 3 年b a i o c c h i 基于变分不等式概念建议了新算法【5 0 】，后来o d e n ，b r u c h 作了进一步发展【5 1 , 5 2 1 。b a t h e ，s t e v e n ，a r a l a m ，g e l l 等人在这方面都有所贡献， b a t c h e ( 1 9 7 9 ) 提出了单元传导矩阵调整法【5 3 l 。李春华( 1 9 8 6 ) 在b a t c h e 法的基础上 做了改进。 以上方法虽然可行，但在求解过程中都必须确定自由水面的位置，并且判断 过程非常复杂，且都只能用于二维渗流计算。张有天等( 1 9 8 8 ) 提出初流量法，可 以用于三维计算，但每次迭代都需要调整单元刚度矩阵，不适合用于通用有限元 程序中。 吴梦喜( 19 9 4 ) 提出了虚单元法，需要在迭代过程中移动节点，节点移动的操 作很难进行。彭华等( 1 9 9 6 ) 提出子单元法，靠分裂单元的方法来处理被自由水面 穿过的单元，但不能用于三维渗流分析，且要重新形成渗透矩阵，使用极不方便。 陈洪凯等( 1 9 9 7 ) 提出复合单元全域迭代法，事实上仍然是剩余流量法，只是对被 自由水面穿过的单元作了进一步的处理，并将之用于实际工程三维渗流场求解， 计算结果满足要求，但此方法迭代过程中也容易出现震荡。黄蔚等( 2 0 0 1 ) 提出的 丢单元法，对复合单元的处理进行了进一步的研究。凌道虚( 2 0 0 2 ) 提出的虚节点 法，不能用于三维渗流计算，且需要修改渗透矩阵，操作困难。王文( 2 0 0 2 ) 提出 了体积加权法，理论上有待完善【”l 。 上述述各种方法在本质上可以分为两类方法：传导矩阵调整法( 或复合单元法) 和剩余流量法。 剩余流量法通过不断求解流过自由水面的法向流量( 称为剩余流量) 建立求解 水头增量的线性方程组，达到修正全场水头和调整新的自由水面位置的目的，迭 代过程中只需一次形成总传导矩阵，但需要判断自由水面被单元分隔的各种情形， 要求求出穿过单元的自由水面被单元切割的面积及流过自由水面的法向流速，迭 代过程计算量大且难以推广到三维问题中。初流量法在此基础上做了重大改进， 利用高斯点的水头求出结点的初流量作为求解水头增量的右端项，避免了求自由 水面被分割的面积，同时避免了每次迭代中确定自由水面位置的作法，大大简化 了剩余流量法的计算工作量，但收敛稳定性较差，而且由于两种算法的整个迭代 过程依赖于第一次有限元计算的结果，精度受到一定的影响。 单元传导矩阵调整法对渗流场有限元计算的结果，根据单元结点水头与结点 位置势的比较，把渗流场进行分区，各区的渗透系数给不同的值，通过不断调整 单元传导矩阵，模拟渗流不饱和区作用，来确定真实的渗流饱和区及渗流场。该 算法实际上是把边界不确定的非线性问题转化成了材料的非线性问题来考虑。虚 结点法，虚单元法，子单元法，丢单元法都属于这类方法。这类解法的共同特点 是收敛性不能令人满意，容易出现自由水面上下跳动的问题。 综上所述，单元传导矩阵调整法和剩余流量法都有着各自的优缺点。剩余流 量法由于要建立求解水头遵从的线性方程到用于通用有限元程序操作过于烦琐， 单元传导矩阵调整法操作简便，如能圆满的解决收敛问题，将非常适用于工程实 际应用。 1 3 4 排水孔布设设计方法 在公路、水利、岩土等工程中的边坡处治工程里，布设水平排水孔是经常采 用的排水处治方式。在实际工程中，排水孔布设设计一般是照搬规范，或者根据 经验、井流计算公式简单布设，造成排水孔布设位置不对，排水孔失效，不能发 挥排水作用，排水孔幕排水效果不能满足要求，或者为保证排水效果而盲目加密、 增多排水孔数量，造成工程浪费。做好排水孔设计的关键是正确掌握地质资料， 摸清地下水活动的规律，一般采用钻探或电探，并结合地质调查的方法，测定地 下水的流向、流速和流量，据以选择并确定地下排水构造物。 对于有水平排水孔的边坡渗流场求解，属于三维渗流场求解问题。排水孔布 6 设设计研究主要集中在寻求适用于特定工程的最佳排水孔布设设计上。目前学者 们在排水孔布设设计研究中存在两类方法： 第一种是采用有限元分析来研究有不同排水孔布设方案的渗流场分布，进行 排水效果对比和工程经济评价比较，寻找最佳布设设计方案，进而提出排水孔布 设准则，是主要的一个研究方法。 朱岳明等( 1 9 9 7 ) 进行了一点尝试提出了对碾压混凝土坝的垂直排水孔布设设 计准则【55 1 。对于边坡水平排水孔，目前还没有开展过相关研究。 第二种是研究是以裂隙岩体中排水孔的排水机理基础，提出的山体排水孔布 设的基本模式。 陈洪凯( 1 9 9 8 ) ，许光祥( 1 9 9 9 ) 在对三峡永久船闸边坡排水工程设计研究中提出 了排水孔优化布设的方法。该方法对边坡岩体的排水机理进行了较为深入的研究， 运用统计学原理，建立了基于排水孔布设方位、孔径、岩体结构面的分布情况等 参数的排水孔优化布设模型。 目前的解析方法，仅限于用水力学方法来求解含水层平行且等厚，排水孔等 间距布置的平面问题。计算浸润曲线的方程为： 拈上i孚inr。-wak卜。) j ( 1 t ) i 2 ，：。 、 吖i 、 计算排水孔的合理间距的公式是： 止而互7 c k h m 觚习 2 ， i2 0三 式中： 0 一排水管半径( m ) ； 九一排水管内的水位( m ) ； 一大气降水的入渗量( m 3 d ) ； 三一排水孔间距( m ) ； ，一距排水孔中心水平距离( m ) ； k 一渗透系数( m 3 天) ； 一最大水深( m ) ，从排水孔中心高程起计算； 显然，对于边坡排水孔这种三维渗流场，沿边坡倾向方向，含水层不一定是 平行等厚的，解析方法不适用。 1 3 5 边坡灾害监测 国际上对于地质灾害的防治和研究已有1 0 0 多年的历史。目前可见到的最早 关于滑坡的观测记录为瑞士自1 8 8 0 年开始的对一个湖岸滑坡的观测，此观测直到 19 3 4 年结束，前后历时5 5 年；l9 2 7 年到19 5 0 年，奥地利也曾对一个滑坡进行了 7 长达2 3 年的观测；美国从18 9 5 年开始，到19 16 年为止，对波特兰德滑坡进行了 长达2 2 年的观测。1 9 5 6 年，前苏联学者叶米里扬洛娃就在其所著的滑坡观测 技术指南一书中对滑坡位移观测的原理、方法和应用进行了较为系统的总结。 可见，地质灾害监测作为避灾、防灾的重要环节己有悠久的历史。 近百年来，已从简单宏观监测发展到利用仪器较精确地监测灾害地表、地下 变形。长期以来，地表外部位移监测主要采用经纬仪、水准仪、测距仪、位移计、 测缝仪等，这些以大地测量为主的方法，具有直观、简单、投入快、监测较为准 确等特点，在地质灾害特别是崩滑流的灾害监测中发挥了重要的作用。但是，这 些监测手段也存在人工作业劳动强度高，受人为因素、地形通视和气候环境条件 影响大，作业周期长的缺点，难以准确迅速及时发现灾害体的整体变形量。地下 内部变形监测主要采用测斜仪、静力水准、应变计、孔隙水压计、雨量计等，这 些仪器具有可获取监测灾害体内部不同变形物理参数、环境因素( 地下水、天气等) 的特点，但是也存在对变形监测阶段的选择性强，仪器安装环境要求相对较高， 安装成本较大等缺点。这些监测技术方法作为获取灾害体变形量的重要技术手段， 在公路设计、施工、运营等不同阶段的地质灾害监测中发挥了重要作用。 随着现代空间技术、电子技术、计算机技术，以及网络、通讯技术和信息技 术的发展，进入9 0 年代后，以全球定位系统( g p s ) 、遥感( r s ) 、地理信息系统( g i s ) 、 电子全站仪以及基于通讯、网络、计算机技术的远程自动监测系统为代表的现代 高科技技术手段，逐渐成为灾害勘察与监测的重要技术方法，这些现代先进技术， 具有全天候性，不受天气、时间以及几乎不受通视和地点的限制，且人工干预少， 监测精度高，作业周期短的特点。可以说，这些现代测绘与信息技术手段的应用， 为地质灾害监测带来了一场全新的技术革命1 5 6 - 。 g p s 卫星定位技术以其合理的卫星星座框架，强大的服务功能，特别是具有 可以实现任何地方、任何时间的全天候定位功能、作业灵活简便、定位精度高等 优点，使该技术在国民经济建设各领域的开发和应用研究发展十分迅速，已经从 理论研究走向实用阶段。目前，g p s 技术在地质灾害的监测，包括公路崩滑流灾 害的监测中均有较为广泛的应用，例如我国己在长江三峡等大型水利水电工程中 建立了g p s 监测网，用于各种崩塌、滑( 边) 坡的变形监测，长安大学也先后在l0 8 国道、川藏318 国道、铜黄高速公路等施工和运营的公路中用g p s 监测了治理或 未治理的滑坡变形p 。 g p s 技术用于公路崩塌、滑坡监测，由于不受通视的限制，因而选点灵活， 可以根据监测需要将监测点布设在反映变形体整体变形情况的特征点上：同时， 由于g p s 具有全天候性，因而可以在任何地点、任何天气和任何时间进行连续监 测；另外，g p s 静态相对定位具有很高的定位精度( 平面1 3 m m ，高程3 1 0 m m ) ， 以及具有较强的作业自动化程度，使得g p s 在公路地质灾害监测上有着广阔的应 8 用前景。 综上所述，根据目前国内外对路基渗流场、排水设计及灾害监测等方面的研 究成果，结合湖南省怀新高速公路建设工程，将采用数值分析方法，开展富水高 陡路堑边坡深层排水技术研究，应用有限元软件及子结构法模拟排水孔，通过迭 代解决剩余流量法中的收敛问题，从而求解自由水面，再应用与实际工程，最后 应用g p s 技术对边坡稳定进行监测验证。 1 4 本文主要研究内容 论文结合湖南省怀新高速公路富水路堑高陡边坡加固实体工程，对深层排水 的加固机理进行研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 边坡深层排水孔设置的有限元分析。用有限元理论分析，为富水高陡路 堑边坡的最佳排水孔的布置设计提供理论依据。利用a n s y s 中温度场与渗流场 的相似性做渗流模拟，并用子结构法模拟排水孔，通过迭代解决剩余流量法中的 收敛问题，求解自由水面，对比分析单孔设置中，孔长、孔径及孔距对边坡渗流 场的影响，得到最佳的排水孔幕设置。并应用与边坡，使之到达边坡稳定的排水 效果。 ( 2 ) 软式渗水管的试验设计。地下水对富水高陡路堑边坡稳定性有很大的影 响，为了排出富水边坡深层地下水，以改善提高边坡土体各项物理力学指标，设 计一款长度大、有足够强度、能伸入坡体富水层或穿过潜在滑动面，且可以与封 闭性或非封闭性坡面防护结构联合使用排出坡体深处的地下水的深层排水管。 ( 3 ) 实体工程应用。通过实体工程地质勘察和水文条件调查情况，并结合有 限元对排水管的分析结果，确定深层排水管埋设的具体方案。根据深层排水的特 性制定相应的施工工艺流程及施工质量的控制要求，从而为同类工程提供参考。 ( 4 ) 排水后边坡监测分析。对实体工程边坡进行长期监测，验证边坡的稳定 性。通过精密仪器测斜管与g p s 对边坡地表位移与内部变形情况进行监测，并通 过数据分析边坡的稳定性。 9 第二章边坡深层排水孔设置的有限元分析 地下水是影响边坡稳定的重要因素，如何有效地排除并降低地下水可以减少 滑坡体内的地下水动水压力和渗透压力，达到疏干土体的含水量，以增强土体的 抗剪强度。实际工程中，排水孔的布设模式直接影响着排水降压的效果，同时也 是影响工程造价和施工进度等的因素之一。对于排水孔的布设设计，主要是确定 排水孔孔长、孔径、孔距这些主要参数。本章将采用有限单元法模拟分析排水孔 孔长、孔径、孔距对排水效果的影响，确定其选择原则。对于边坡地下水形成的 有自由水面的渗流，绪论中已经指出其作为渗流域边界的自由水面位置是待求的， 求解未知的渗流域范围，迭代法计算已被证明是非常精确的一种方法。排水孔的 模拟采用子结构法进行单个排水孔的渗流分析。如何高效简捷地处理并确定出渗 流自由水面及渗流溢出点位，并保证迭代过程收敛的稳定性是该问题的关键所在， 多年来这一问题都没得到完全地解决。为此，考虑地下水在排水管作用下引起的 边坡渗流场变化情况是本章的主题。 2 1 边坡简况 本文依托工程为湖南省怀化至新晃高速高路第九合同段k 3 9 + 16 5 5 k 3 9 + 5 0 1 5 左幅路堑边坡，该路段采用挖方路堑的形式，路堑处于东西走向的较 大山岭的山脊线突出部侧缘的坡腰部位，高程范围：3 4 5 m 4 15 m ，最高位置较该 山岭主峰低6 5 m 。原地形可分为三段，k 3 9 + 2 0 0 k 3 9 + 2 8 0 为一小山脊突出部，平 均坡角约5 2 0 ；k 3 9 + 2 8 0 k 3 9 + 3 4 0 为山坳，平均坡角2 7 0 ：k 3 9 + 3 4 0 k 3 9 + 5 8 0 为 山脊向山谷斜向过渡地段。经路基施工，左路堑边坡比现状约为1 ：o 7 5 1 0 ，坡 面分为一至四级台阶，台阶高1 2 m 1 5 m ，台阶之间有l m 1 5 m 的碎落台。坡面 原有崩积、坡积松散表土被清除，坡面岩石基本裸露，以强风化中厚层变质砂岩 夹板岩为主，坡面平整。台阶均无植被覆盖，坡顶及台阶外围生长有大量灌木和 少量乔木。 针对边坡的地形地质情况，模拟分析时取本路段边坡最不利位置进行分析。 2 1 渗流原理 2 1 1 渗流计算的数学模型 各向异性渗透介质的达西定律可表示为： l o 匕= 一屯豢_ = 一b 等匕= 一恕警 ( 2 1 ) 匕2 一qj i _ 2 一石歹匕2 一吒j f j 式中：屯，尼，屯一一分别为土体沿x , y ，z 方向的渗透系数( m 3 s ) ； 匕，1 ，匕一一分别为渗流沿x , y ，z 方向的渗透速度( m s ) ； 月l 一渗透水头，即： h = 上+ y( 2 2 ) p g p 一一单元土体中心处的水压力( n ) ： p 一一流体的密度( k g m 3 ) ； g 一一重力加速度( m s 2 ) ； y 一一单元土体中心处的位置水头( m ) 。 渗流的连续方程可以表示为： 盟+ 盟+ 韭：o( 2 3 ) 瓠 动 砚 则可得均匀各向异性土体情况下三维渗流连续方程为： 屯万a 2 h + 砖害+ 也鲁= 。 ( 2 4 ) 如若边界表面的流入或流出量，则公式( 2 4 ) 变为： t 可a 2 h + 砖害+ t 碧+ q = 。 ( 2 5 ) 式中：q 一一单位边界表面的流入或流出量( m 3 ) ； 二维平面渗流的情况下，均匀各向异性土体的渗流连续方程为： 以百a 2 h + b 等= 。 ( 2 6 ) 2 1 2 渗流计算的边界条件 对于有自由水面的稳定渗流问题，其边界条件如图2 1 所示。 ( 1 ) 给定水头和位置，法向流速为未知。如d 6 边胆矾，e d 边胙h d ，c d 边仔可； ( 2 ) 给定法向流速和位置，水头为未知，如a e 边= o ； ( 3 ) 己知法向流速甜= 0 及水头h = y ，位置为未知，如6 c 边，b c 边被称为自 由水面边界。 对有自由水面的渗流问题，由于其位置需要迭代求解，是非线性渗流问题。 r h 、 i ：_ u r 一= u r1 一 一 一一q ，_ i 图2 1 渗流计算域边界条件图 2 1 3 渗流场分析的有限元方法 有限元方法是一种数值方法，用数值方法求解一般都要借助电子计算机，是 目前求解大型渗流问题的主要方法。 2 1 3 1 基本方法 方法的要点是把整个渗流区分割成若干个形