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山区公路工程地质环境中的水渗流机制研究

张林洪

   地下水和入渗雨水是造成公路地质灾害和公路水损害的最重要因素之一,同时公路的建设会造成地下水、地表水环境产生变化和破坏,影响公路沿线的生态和生产、生活环境。水渗流机制是进行公路防排水设计、地下水和地表水环境影响评价及保护设计的理论基础,开展公路水渗流机制研究是非常有必要的。 公路水渗流机制是公路工程技术与水文地质学、岩土力学、地下水动力学、工程地质学、土壤学交叉渗透的一个研究领域,是探讨公路工程中地下水的运动及分布规律,指导人类科学合理地进行公路工程的防排水,保护公路工程,以及在公路工程的建设及运营活动中如何保护地下水环境的科学。它涉及公路工程技术、地下水的蓄存、渗流计算以及疏排与保护等方面的问题。 在公路工程中,水会使路基湿软、地下水水压增大、路基路面的强度降低,进而引起路基沉陷、边坡冻胀、塌方、坍塌、滑动等,甚至整个路基产生滑动。进入沥青混凝土路面结构层内的水分会浸湿无机结合料的粒料层,导致路面结构层的强度下降,在行车荷载的作用下,产生高速水流导致对路面结构的冲刷;当温度降低冰冻时,路面结构会产生冻胀,使沥青面层出现剥落、松散和坑塘等破坏;当水泥混凝土路面在重载车辆的反复作用下,产生很大的动水压力,导致路面缝隙扩展迅速,接缝附近的细颗粒集料软化,形成唧泥,使面板之下产生掏空,导致面板产生开裂、错台、断裂等病害;在特殊土地区,地下水或岩土体中含水量状态的改变,会诱发特殊土的工程地质灾害;地下水使公路隧道围岩溶蚀、冲蚀、软化,从而降低围岩强度,对隧道结构稳定性构成威胁;地下水的存在给隧道施工带来巨大困难,不仅增加施工难度,还可能带来安全隐患;地下水和雨水入渗则会严重恶化公路的运营环境,降低公路的服务质量,增加公路工程的维护运营成本。在公路建设和运营中,会对地下水的渗流特性和渗流途径产生影响和破坏,导致缺水或水害,对地下水的水质产生污染,影响公路沿线的生态环境和周边居民的正常生产、生活用水。 公路工程水渗流机制的研究还很少,现有的相关研究主要是建立在地表水的疏排、饱和渗流的简单计算、及直观观察经验基础上的防排水设计和施工,没有或很少有根据地下水贮存、渗流与公路工程建设的相互影响,雨水入渗在公路工程结构中渗流规律的研究。因此,现有理论还不能满足科学合理地进行公路防排水(特别是路基路面结构内部防排水)设计和公路建设对地下水、地表水环境影响评价及保护设计的要求。 作为在“公路工程地质环境中水渗流机制问题研究”中的探索研究,在本人科研和前人研究工作的基础上,以地下水动力学、岩土力学、水文地质学、工程地质学、土壤学为基础,研究公路工程建设对地下水渗流和雨水入渗的影响,以及公路防排水和水环境保护设计的原则方法,具体开展了如下研究工作: (1)首先对水循环、地下水类型及转化、土壤水平衡与循环进行了研究和介绍;分析研究了应力对岩土体渗流特性产生影响的机理。 (2)根据地基处理、路基和隧道开挖、路堤填筑对周围岩土体应力、变形的影响分析,从材料渗透性和渗流边界条件的改变,以及应力、变形变化对岩土体渗透性的影响,分析了公路建设对周边岩土体渗透性及地下水渗流的影响;建立了山区公路对地下水渗流影响的模型。 (3)对特殊土地区公路灾害、损害与水渗流的关系进行了研究和总结。 (4)由于在公路建设和运行中,绝大多数时间路基是处于稳定渗流的情况,根据饱和渗流理论,推导建立了在潜水和承压水条件下路堑结构、隧道结构和排水设施在稳定渗流情况下的水位(水头)和流量计算理论公式;按地下水类型、公路结构型式、排水设施型式、是否进行衬砌或支护、组合方式和布置方案构建了公路工程地下水稳定渗流模型。 (5)采用有限元分析方法进行了几种典型路基、路面在降雨入渗过程中的饱和—非饱和渗流规律分析;根据路基、路面及路肩的结构形式和渗透性,地下水水位(水头)的高低,是否设置渗沟等,构建了公路路基路面工程地质环境降雨入渗机制模型。 (6)在以上计算分析研究的基础上,研究了减少雨水、地下水对公路工程的影响、破坏及减少公路工程建设对沿线地下水、地表水环境影响、破坏和地下水、地表水保护设计的原则方法。 通过本文公路工程地质环境中的水渗流机制研究,为公路工程的防排水设计、地质灾害治理,公路工程的设计、规划和建设运营中的地下水、地表水环境影响评价与保护设计提供了理论依据和思路。论文研究成果具有如下的创新性: (1)公路工程地质环境下地下水渗流及降雨入渗类型的划分和模型的建立; (2)研究指出了不同公路工程环境下的水渗流机制; (3)公路工程地质环境下的水渗流影响及其防治方法。……   
[关键词]:公路;渗流机制;地下水;雨水;防排水;水环境
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:昆明理工大学2006年
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