山区公路工程地质环境中的水渗流机制研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 山区公路工程地质环境中的水文地质问题
• 1.2 国内外公路工程水渗流机制研究现状
• 1.2.1 国内山区公路工程地质环境中渗流研究现状
• 1.2.2 国外山区公路工程地质环境中渗流研究现状
• 1.3 公路工程中的水渗流机制相关理论研究评述
• 1.3.1 公路路基路面渗流研究的重要性
• 1.3.2 路基路面内部渗水来源及途径
• 1.3.3 路面结构内部积滞水时间的研究
• 1.3.4 水对路面的损坏
• 1.3.5 水对路基的破坏
• 1.3.6 渗流理论及水在路基中的渗透规律
• 1.3.7 水在路面结构中的渗流机制
• 1.3.8 公路建设对地下水环境的影响
• 1.4 山区公路工程地质环境中渗流机制研究内容、方法和成果
• 1.4.1 选题依据
• 1.4.2 本论文的研究内容和研究方法
• 1.4.3 本论文研究的支撑条件
• 1.4.4 本论文的创新性和前沿性
• 第二章 水循环及水渗流的基本理论
• 2.1 水循环与地下水的垂直分类
• 2.2 土壤水分的作用力分类
• 2.3 土壤水分能量状态
• 2.3.1 土水势及其分势
• 2.3.2 土壤水吸力
• 2.4 土壤水分运动
• 2.4.1 液态水的运动
• 2.4.2 气态水的运动
• 2.5 土壤水分循环
• 2.5.1 土壤水入渗和再分布
• 2.5.2 土面蒸发
• 2.5.3 土壤水分平衡
• 2.6 地下水的埋藏类型与特征
• 2.6.1 含水岩层与隔水岩层的划分
• 2.6.2 地下水的埋藏类型与特征
• 2.6.3 岩溶发育与地下水分布规律及影响因素
• 2.7 岩土体的渗透性
• 2.8 应力对岩土渗透性的影响
• 2.9 地下水类型及运动转化规律
• 第三章 山区公路工程对地下水渗流的影响
• 3.1 路基结构形式及对地下水渗流的影响
• 3.2 路面结构形式及对地下水渗流的影响
• 3.3 公路修建对地下水渗流的影响
• 3.3.1 路堤对周边岩土体地下水渗流的影响
• 3.3.2 路堑对周边岩土体地下水渗流的影响
• 3.3.3 半挖半填路基对周边岩土体地下水渗流的影响
• 3.3.4 公路隧道对周边岩体渗流的影响
• 3.4 山区公路对地下水渗流影响的模型分析
• 3.5 公路建设中特殊土地质灾害与水渗流的关系
• 3.5.1 湿陷性黄土地区的公路地质灾害及与水渗流的关系
• 3.5.2 红粘土地区的公路地质灾害及与水渗流的关系
• 3.5.3 盐渍土地区的公路地质灾害及与水渗流的关系
• 3.5.4 膨胀土地区的公路地质灾害及与水渗流的关系
• 3.5.5 冻土地区的公路地质灾害及与水渗流的关系
• 3.5.6 软土地区的公路地质灾害及与水渗流的关系
• 3.6 公路工程保护与水环境保护的辨证关系
• 3.7 公路工程建设对周边岩土渗透性及地下水环境的影响
• 第四章 公路工程地下水稳定渗流计算
• 4.1 渗沟作用下的地下水渗流计算
• 4.1.1 渗沟作用下的潜水渗流计算
• 4.1.2 渗沟作用下的承压水渗流计算
• 4.1.3 有衬砌渗沟作用下的潜水渗流计算
• 4.1.4 有衬砌渗沟作用下的乘压水渗流计算
• 4.1.5 不透水层横向坡度较大情况下的渗沟排水计算
• 4.2 渗井排水的地下水渗流计算
• 4.2.1 渗井排承压水的地下水渗流计算
• 4.2.2 渗井排潜水的地下水渗流计算
• 4.2.3 渗井排承压一潜水渗井的地下水渗流计算
• 4.2.4 倾斜承压含水层中渗井的计算
• 4.2.5 多个相互干扰渗井作用下的地下水的渗流计算
• 4.3 路堑开挖对地下水影响的计算
• 4.3.1 路堑开挖对潜水影响的计算
• 4.3.2 路堑开挖对承压水流的影响计算
• 4.3.3 路堑边坡支护或护坡措施对潜水影响的计算
• 4.3.4 路堑边坡支护或护坡对承压水影响的计算
• 4.4 公路隧道排水的地下水渗流计算
• 4.4.1 隧道对潜水影响的渗流计算
• 4.4.2 隧道全部揭露承压含水层时对承压水影响的计算
• 4.4.3 隧道未全部揭露含水层时对承压水影响的计算
• 4.5 排水疏干孔排水的地下水渗流计算
• 4.5.1 排水疏干孔单独布设在隔水底板上时的潜水渗流计算
• 4.5.2 垂直承压含水层布置的水平疏干孔渗流影响的计算
• 4.5.3 在承压含水层中布置水平疏干孔的渗流计算
• 4.5.4 考虑水平排水孔末端排水作用下的渗流计算
• 4.6 排水工程相互干扰的地下水渗流计算
• 4.6.1 叠加原理
• 4.6.2 排水孔之间相互干扰（排水孔群的作用）的渗流计算
• 4.6.3 隧道与排水孔相互干扰的地下水渗流计算
• 4.6.4 路堑边坡与排水孔相互干扰的渗流计算
• 4.7 不均质岩层条件下的渗流计算
• 4.8 公路工程地下水稳定渗流模型分析及设计的原则方法
• 4.9 公路地下水渗流效应评估
• 第五章 降雨入渗情况下路基路面的渗流机制分析
• 5.1 降雨入渗理论
• 5.1.1 降雨入渗理论及其分析
• 5.1.2 降雨入渗过程分析
• 5.2 饱和渗流的基本方程
• 5.2.1 达西定律
• 5.2.2 连续性方程
• 5.2.3 稳定渗流的基本微分方程式
• 5.2.4 非稳定渗流基本微分方程式
• 5.3 饱和—非饱和渗流的基本微分方程
• 5.3.1 非饱和流动的基础理论
• 5.3.2 非饱和多孔介质土水特征曲线
• 5.3.3 多孔介质水力特性曲线参数的确定方法
• 5.4 降雨入渗的相关渗流理论
• 5.4.1 降雨入渗的渗流计算模型
• 5.4.2 降雨入渗的渗流边界条件及饱和—非饱和渗流场的定解
• 5.4.3 渗流场的有限单元法求解
• 5.5 渗流模型的建立
• 5.5.1 渗流模型的建立
• 5.5.2 计算参数
• 5.5.3 渗流计算模型
• 5.6 路基路面结构的渗流机制分析
• 5.6.1 路面结构中压力水头和降雨强度之间的关系
• 5.6.2 路面结构中压力水头和降雨历时的关系
• 5.6.3 路面结构的渗流流速矢量分布规律
• 5.6.4 路堤雨水入渗的渗流机制对比分析
• 5.6.5 挖方路基压力水头的变化情况
• 5.6.6 半填半挖路基压力水头的变化情况
• 5.7 公路路基路面工程地质环境降雨入渗机制模型分析
• 5.8 雨水入渗情况下路基路面的效应评估
• 第六章 结论
• 6.1 本论文研究取到的成果和结论
• 6.1.1 公路建设对地下水渗流的影响
• 6.1.2 路基地下水稳定渗流计算
• 6.1.3 降雨入渗情况下的路基路面渗流机制分析
• 6.2 本论文研究成果的评价及应深入开展的研究工作
• 6.2.1 本论文研究成果的评价
• 6.2.2 本论文成果的创新性
• 6.2.3 本论文成果的价值和意义
• 6.2.4 今后应深入开展的研究工作
• 参考文献
• 在博士研究生就读期间发表的论文（专著）、完成的研究成果和获得的奖励
• 致谢