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堤基渗透变形理论与渗漏探测方法研究

刘建刚  
【摘要】: 本文在分析总结前人对渗透理论和渗透变形以及渗漏探测方法的基础上提出了渗透变形的理论模型和渗漏探测的平面热源法,并将环境同位素和水文地球化学方法应用于堤坝基的渗漏分析评价。 均质各向同性砂砾石堤基渗漏涌砂可归纳为完整井和非完整井模型。当砂砾石层较厚时,涌砂的发生、发展符合紧靠上覆粘性土层的半球形井底模型;当砂砾石层相对较薄时,涌砂的发生、发展过程符合完整井模型。通过建立管涌发展过程中地层渗透性的概化模型和井流计算模型,模拟了管涌发展的全过程。计算认为,管涌沿垂直于堤轴方向最容易发生和发展,形成贯通性集中渗漏通道。定义了“临界距离”的概念,即在其它条件不变情况下,管涌发生并发展形成贯通性集中渗漏通道的管涌口与河岸之间的最小距离。管涌口位于临界距离之内则会形成贯通性集中渗漏通道,距离越近,危险越大。用裂隙的渗透性代替地层接触面附近各种成因的粗糙面或缝隙的渗透性,从而建立接触冲刷发展过程中地层渗透性的概化模型和井流计算模型,模拟了接触冲刷发展的全过程。对粘土层与砂砾石之间的接触冲刷问题进行了模拟,接触面附近的细砂从出渗口开始流出,出渗口附近的渗透系数先增大,然后逐步向内部发展,也可以形成集中渗漏通道,发展的规律类似于管涌发展规律,但发展的速度前者高于后者。建立了双层结构堤基发生流土的完整井流砂和半球形井底流砂物理模型,通过算例采用分时段稳定流理论模拟了基于临界水力坡降的流砂动态发展过程。堤基发生渗透变形而形成的集中渗漏通道,将自涌砂口沿垂直堤轴方向发展,并在平面上自涌砂口到河床不断扩大,在深度上不断加深。通道的规模取决于涌砂口的流量大小和水位高低,尤其在较低水位时通道规模将最大。用综合示踪方法探测分析复杂堤基渗漏,实践证明是十分有效的,并在北江大堤石角段源于基岩中的集中渗漏通道探测中得到成功应用,同时,本文还首次将平面热源法应用于断层型堤基渗漏的探测与分析,进一步确定了北江大堤石角段渗漏断层的空间状态。环境同位素和水化学分析技术的应用大大地增强了复杂堤坝基渗漏的分析手段,通过三个具体堤坝基工程的应用,解决了一些重大工程难题。


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