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堤基渗透变形理论与渗漏探测方法研究

作　者: 刘建刚
导　师: 赵维炳；陈建生
学　校: 河海大学
专　业: 岩土工程
关键词: 渗透变形井流理论综合示踪平面热源环境同位素水文地球化学
分类号: TV223.4
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

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。

全文目录

第一章绪论  10-33
  1．1 研究现状  10-15
    1．1．1 渗透变形的类型及其规律  10-12
    1．1．2 渗透稳定性分析  12-13
    1．1．3 渗漏探测方法  13-15
    1．1．4 存在问题及研究方向  15
  1．2 砂砾石土的管涌特性  15-20
    1．2．1 研究成果简述  15-18
    1．2．2 试验分析  18-19
    1．2．3 砂砾石土的管涌性的判别  19-20
  1．3 流网与堤基渗流场  20-23
    1．3．1 流网  20-22
    1．3．2 堤基渗流场  22-23
  1．4 堤基渗透性  23-30
    1．4．1 无粘性土的渗透性  23-24
    1．4．2 粘性土的渗透性  24-25
    1．4．3 裂隙岩体的渗透性  25-27
    1．4．4 渗透性参数确定方法  27-30
  1．5 临界水力坡降  30-31
    1．5．1 渗流自下而上时流土临界坡降。  30-31
    1．5．2 渗流自下而上时管涌临界坡降  31
  1．6 本文的主要工作及主要创新点  31-33
第二章堤基渗透变形理论研究  33-68
  2．1 砂砾石堤基渗漏涌砂模型  33-36
    2．1．1 堤基渗漏涌砂的诱因  33
    2．1．2 砂砾石堤基渗漏涌砂的非完整井理论模型  33-35
    2．1．3 砂砾石堤基渗漏涌砂的完整井理论模型  35-36
  2．2 典型堤基渗漏涌砂影响范围的估算  36-39
    2．2．1 两条收敛辐射状承压水流线之间流量（q）的计算  37-38
    2．2．2 考虑涌砂对渗漏层透水性影响时管涌影响范围的估算  38-39
  2．3 水平流条件下的流土与管涌计算  39-42
    2．3．1 渗流作用力  39-40
    2．3．2 水平流条件下的流土临界水力坡降  40-41
    2．3．3 水平流条件下的管涌临界水力坡降  41-42
    2．3．4 不同流态的临界流速  42
  2．4 管涌渗透破坏机理研究  42-56
    2．4．1 管涌发生后地层渗透性概化模型  42-45
    2．4．2 计算模型  45-49
    2．4．3 算例分析  49-54
    2．4．4 管涌形成贯通性集中渗漏通道的条件分析  54-56
  2．5 地层中接触面冲刷渗透破坏机理研究  56-67
    2．5．1 接触冲刷发生后地层渗透性概化模型  56-58
    2．5．2 计算模型  58-60
    2．5．3 算例分析  60-67
  2．6 本章小结  67-68
第三章双层结构流土型堤基渗透变形发展过程的数值模拟  68-80
  3．1 渗透变形发展过程模拟研究进展  68-71
  3．2 渗透系数和水平流临界水力坡降的确定  71-72
  3．3 流砂模型与计算模型  72-74
    3．3．1 流砂模型  72
    3．3．2 计算模型  72-74
  3．4 结果分析  74-79
    3．4．1 完整井模型计算结果  74-77
    3．4．2 非完整井模型计算结果  77
    3．4．3 集中渗漏通道的形成与距离的关系  77-79
  3．5 本章小结  79-80
第四章堤基渗漏的综合示踪探测方法研究  80-106
  4．1 渗漏探测技术研究进展  80-81
    4．1．1 渗流监测技术  80-81
    4．1．2 地电勘探技术  81
    4．1．3 CT技术  81
    4．1．4 探地雷达技术  81
  4．2 放射性同位素示踪方法探测堤基渗流场原理  81-91
    4．2．1 单孔中测定地下水水平渗透流速和流向  81-91
    4．2．2 单孔中垂向流的测定  91
  4．3 平面热源法研究低水位条件下的堤基渗漏  91-95
    4．3．1 地下水的温度  91-92
    4．3．2 平面热源引起的温度场  92-95
  4．4 综合示踪方法在北江大堤石角段的应用研究  95-104
    4．4．1 北江大堤石角段地质环境条件  95-96
    4．4．2 地下水动态和减压井排水量分析  96-97
    4．4．3 地下水的温度和电导分析  97-100
    4．4．4 地下水流速流向分析  100-101
    4．4．5 连通试验分析  101-102
    4．4．6 平面热源法分析的新认识  102-104
    4．4．7 基岩集中渗漏通道的形成机理  104
  4．5 本章小结  104-106
第五章环境同位素及水化学技术在堤基渗漏分析中的应用研究  106-132
  5．1 环境同位素及其应用  106-115
    5．1．1 天然水及岩石中的同位素组成  106-111
    5．1．2 氢氧环境同位素在堤基渗漏分析中的应用原理  111-115
  5．2 水文地球化学方法分析复杂堤基渗漏  115-118
    5．2．1 地下水的水文地球化学特性  115-116
    5．2．2 饱和指数用于分析堤基渗漏形成与发展的原理  116-118
  5．3 工程实例  118-131
    5．3．1 北江大堤石角段  118-121
    5．3．2 黄壁庄水库副坝  121-126
    5．3．3 南水北调京杭大运河江都船厂～联盟庄码头堤段  126-131
  5．4 本章小结  131-132
第六章总结  132-134
  6．1 本文主要研究成果  132-133
  6．2 有待进一步研究的问题  133-134
致谢  134-135
参考文献  135-139
攻读博士期间发表的论文  139

堤基渗透变形理论与渗漏探测方法研究

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