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1、排水工程设计,一、水对滑坡的影响机理,据统计，99%以上的滑坡与地下水的活动有关，“无水不滑”“十滑九水”等形象的描述了水对滑坡的重要“贡献”水对滑坡的影响主要体现在化学作用、物理作用和力学作用。认识水对滑坡稳定的影响，对滑坡防治具有指导意义。,一、水对滑坡的影响机理,化学作用,水对滑坡的化学作用主要体现在离子交换、溶解、溶蚀、水化等方面。通过改变土体性质，进而改变滑带土或滑体强度来降低滑坡稳定性，这一作用是随时间缓慢进行的，是个量变积累的过程。,离子交换：粘土矿物，如高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石以及 有机物。地下水与岩土体之间的离子交换使得岩土体的结构改变，从而影响岩土体的力学性质,溶解溶
2、蚀：地下水中的各种离子，大多数是由溶解溶蚀作用产生。具有侵蚀性的地下水对可溶性岩石：石灰岩、白云岩、石膏、岩盐等产生溶蚀，参数溶蚀裂隙、空隙、溶洞、增大岩体的空隙率及渗透性,水化作用：水渗透到岩土体的矿物晶格架中，或水分子附着到可溶性岩石的离子上，使岩石的结构发生微观、细观及宏观改变，减小岩土体的内聚力。岩石风化作用就是水化作用引起的，还有膨胀土。,一、水对滑坡的影响机理,物理作用,冲刷作用：坡表受流水冲刷，带走泥沙，破坏植被，促使坡表径流更易下渗。冲刷坡脚，改变坡体原有稳定坡型，促使坡体整体下滑。降雨形成的地表水径流改造坡体表面甚至形成各种类型的冲沟网或使坡体解体。,水对滑坡的物理作用一般表
3、现冲刷作用、润滑作用、软化作用等方面。通过改变土体结构、物理状态性质，进而改变滑带土或滑体强度来降低滑坡稳定性，这一作用部分可以恢复，部分不断积累。,润滑作用：处于岩土体中的水，在岩土体的不连续面边界（如未固结的沉积物及土壤的颗粒表面或岩石中的裂隙面、节理面和断层面）上产生润滑作用，使不连续面上的摩阻力减小。这个过程在斜坡受降雨入渗使得地下水位上升到滑动面时尤为显著。,软化和泥化作用：地下水对岩土体的软化和泥化作用主要表现在，岩土体受风化或构造破坏，原状结构发生显著变异，并在地下水长期作用下碎散成细泥。主要表现在土体和岩体结构面中充填物随含水量的变化，发生有固态向塑态液态的弱化效应。,一、水对
4、滑坡的影响机理,力学作用,水对滑坡的力学作用主要通过静水压和动水压作用对岩土体的力学性质施加影响。在裂隙岩体中，空隙净水压力可使裂隙产生扩容变形。有空隙水压力变化减小有效应力而降低岩土体强度可以恢复。,静水压力的影响：孔隙水压力对岩土体强度影响可用有效应力原理描述,动水压力的影响：地下水渗流时，会对土体产生渗透力，动水压力方向与渗流方向一致，大小与水力梯度成正比,无粘性土坡,1）微单元A自重: W=V,2）沿坡滑动力：,3）对坡面压力：,（由于无限土坡两侧作用力抵消）,4）抗滑力：,5）抗滑安全系数：,W,T,N,坡与水平夹角为 砂土内摩擦角为,W,R,N,A,一、水对滑坡的影响机理,力学作用
5、,当=时，Fs=1.0，天然休止角,安全系数与土容重无关,与所选的微单元大小无关,思考：在干坡及静水下坡中， 如不变，Fs有什么变化,坡内任一点或平行于坡的任一滑裂面 上安全系数Fs都相等,一、水对滑坡的影响机理,力学作用,有沿坡渗流情况,正常蓄水土坝下游,水位骤降的土坝上游,逸出段,一、水对滑坡的影响机理,力学作用,A,(1) 自重：,渗透力： （方向：平行于土坡）,(2) 滑动力：,(3) 抗滑力：,(4) 抗滑安全系数：,取微单元 A，以土骨架为隔离体：,l,h,J,J,讨论：,意味着原来稳定的坡，有沿坡渗流时可能破坏,与所选V大小无关，亦即在这种坡中各点安全系数相同,与容重有关,与无渗
6、流比较Fs减小近一倍,排水是滑坡治理工程中的一项重要措施。实践证明排水对于提高滑坡稳定性具有至关重要的作用，通常也是一种比较经济的工程方案。水是产生滑坡的主要的原因之一，要防止岩体的抗剪强度降低，就必须控制地表水和地下水。因此，排水工程是治理滑坡病害中一项极其重要的内容。在滑坡治理中，应以“截、排和引导”为原则修建排水工程。 一般的修建的排水建筑物可分 地表排水建筑物 和地下排水建筑物 两大类型。,地表排水工程水力设计，应首先对排水系统各主、支沟段控制的汇流面积进行分割计算，并根据设计降雨强度分别计算各主、支沟段汇流量和输水量；在此基础上，确定排水沟断面和过流能力。在确定排水沟断面时应考虑坡面
7、排水沟的堵塞，取堵塞系数1.5选取过水断面。即过水断面增大1.5倍。,二、地表排水工程设计,水文计算,地表水汇流量的计算方法很多，如推理法、统计法分析法、地区分析法或现场评判法等。利用推理法确定降雨汇流量的有关公式如下：,地表汇水量计算,公路排水设计规范JYJ018-2006,我国目前采用恒定均匀流推理公式，计算雨水设计流量。恒定均匀流推理公式基于以下假设： 1、降雨在整个汇水面积上的分布是均匀的； 2、降雨强度在选定的降雨时段内均匀不变； 3、汇水面积随集流时间增长的速度为常数； 推理公式适用于较小规模排水系统的计算，当应用于较大规模排水系统的计算时会产生较大误差。 汇水面积超过2km2 时
8、，雨水设计流量宜采用数学模型进行确定。,室外排水设计规范GB50014J-2006,例题3.5.1 已知张家湾滑坡排水沟H3，汇水面积18700，径流系数0.7，设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度380.94L/(s ha)，按公路排水设计规范求地表汇水量。,F=18700=0.0187km2,q=380.94L/(s ha)=380.94106/(1/601010)=2.286mm/min,Q=16.670.72.2860.0187=0.498m/s,按公路排水设计规范,例题3.5.2 已知张家湾滑坡排水沟H3，汇水面积18700，径流系数0.7，设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度380
9、.94L/(s ha)，按室外排水设计规范求地表汇水量。,按室外排水设计规范,Q=380.940.71.87=498L/s,地表汇水量计算公式相关参数的确定,设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度（mm/min),公路排水设计规范JYJ018-2006,当有气象资料时,q降雨强度,室外排水设计规范GB50014J-2006,三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求,例题3.5.3 已知张家湾滑坡排水沟H3，降雨历时16.93min，求排水沟H3设计暴雨强度。（暴雨重现期取25a）,按三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求,=380.94 L/(s ha),当无气象资料时,q降雨强度,公路排水设计规范J
10、YJ018-2006,例题3.5.4 已知张家湾滑坡排水沟H3，降雨历时16.93min，求排水沟H3设计暴雨强度。（暴雨重现期取15a）,查q5,10等值线图（图9.17-1） q5,10=2.0mm/min,查重现期转换系数（表9.17-1） c15=1.27,查c60等值线图（图9.17-2） c60=0.4mm/min 查降雨历时转换系数ct（表9.17-2） 15min 0.82 20min 0.72 插值16.93min ct =0.78,=350L/(s ha),=2.1mm/min,P-设计重现期,地表汇水量计算公式相关参数的确定,室外排水设计规范GB50014J-2006,表
11、3 为我国目前雨水管渠设计重现期与发达国家和地区的对比情况。美国、日本等国在城镇内涝防治设施上投入较大，城镇雨水管渠设计重现期一般采用5 年10 年。美国各州还将排水干管系统的设计重现期规定为100 年，排水系统的其他设施分别具有不同的设计重现期。,雨水管渠设计重现期，应根据汇水地区性质、城镇类型、地形特点和气候特征等因素，经技术经济比较后确定与发达国家相比较，我国设计标准偏低。,P-设计重现期,对威胁重要性建筑物的滑坡，设计降雨重现期可取15年，威胁一般性建筑物的滑坡，设计降雨重现期可取10年。对多雨地区或特殊地区，可根据需要适当提高降雨重现期。,三峡库区地质灾害防治设计计算要求设计降雨重现
12、期取25年,公路排水设计规范JYJ018-2006,t降雨历时,地表汇水量计算公式相关参数的确定,降雨历时按汇流时间计算，包括汇水区内的坡面汇流历时和截排水沟内的汇流历时,室外排水设计规范GB50014J-2006,室外排水设计规范GB50014J-2006,三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求,折减系数m 是根据前苏联的相关研究成果提出的数据。近年来，我国许多地区发生严重内涝，给人民生活和生产造成了极不利影响。为防止或减少类似事件，有必要提高城镇排水管渠设计标准，而采用降雨历时计算公式中的折减系数降低了设计标准。发达国家一般不采用折减系数。为有效应对日益频发的城镇暴雨内涝灾害，提高我国城镇排
13、水安全性，GB修订取消折减系数m,公路排水设计规范JYJ018-2006,t降雨历时,例题3.5.5 已知张家湾滑坡排水沟H3，地面集水距离250m，坡面坡比0.2，求坡面汇流时间,按三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求,t1=L1/v1=250/0.3/60=13.89min,按室外排水排水设计规范 集水距离250m，取集水时间5-15min的上限，取15min,按公路排水排水设计规范,ip=0.2 s取0.2，Lp=250,=13.08min,公路排水设计规范JYJ018-2006,t降雨历时,V1=200.0110.6=1.34,V2=200.4710.6=12.73,t2=90/1.2
14、3/60+19.18/12.73/60+42.65/2.44/60+90.3/3.81/60=1.93,根据公路排水设计规范,V3=200.030.6=2.44,V4=200.0630.6=3.81,例题3.5.6 已知张家湾滑坡排水沟H3，纵剖面图如下，求沟管内汇流时间,径流系数,室外排水设计规范GB50014J-2006,室外排水设计规范GB50014J-2006,径流系数,径流系数受降雨强度、降雨历时、地表覆盖状况、土壤种类和湿度等多种因素的影响，虽可通过实地试验确定，但目前大部分国家都直接按汇水区域内的地表特性查表选定,公路排水设计规范JYJ018-2006,例题3.5.6 求张家湾滑
15、坡排水沟H3，地表汇水量,二、地表排水工程设计,水力计算,排水管渠的流量,沟和管的水力计算，包括依据设计流量确定沟和管所需的断面尺寸，以及检查水流速度是否在允许范围内等内容。,室外排水设计规范GB50014J-2006,室外排水设计规范GB50014J-2006,排水管渠的流量,室外排水设计规范GB50014J-2006,排水管渠的粗糙系数,公路排水设计规范JYJ018-2006,排水管渠的粗糙系数,灌溉与排水工程设计规范GB50288-99,排水管渠的粗糙系数,灌溉与排水工程设计规范GB50288-99,排水管渠的粗糙系数,排水管渠的充满度和超高,室外排水设计规范GB50014J-2006,
16、排水管渠的最小流速和最大流速,室外排水设计规范GB50014J-2006,公路排水设计规范JYJ018-2006,公路排水设计规范JYJ018-2006,例题3.5.7 已知张家湾滑坡排水沟H3，汇水量498L/s，试设计排水沟净断面尺寸。,拟采用排水沟为梯形断面，m=0.2，采用浆砌块石结构。,取粗糙系数n=0.025,1、拟定断面为梯形，底宽0.6m，水深0.5m,过水面积A0=,A0=（0.6+0.2）+0.6/20.5=,二、地表排水工程设计,地表排水系统布置,为把滑坡区域内的雨水迅速地汇集并排到滑坡区外，防止或减少坡面流水渗人滑体，增加滑坡体下滑力和降低岩土抗剪强度，应在滑坡体内修筑
17、树杈状、网状排水系统，以迅速引走坡面流水。为了防止水流的下渗，在滑坡体上也应充分利用自然沟谷，布置成树枝状排水系统，使水流得以汇集旁引。,排水沟平面布置示意图,石榴树包滑坡排水工程平面布置图,王家坪滑坡地表排水布置图,黄蜡石地表排水工程,地表排水沟的布置： 、在滑坡体后缘及两侧布置截流沟，以拦截地面径流沿可能的裂缝渗入滑体； 、在泉水出露处设置排水沟以减少泉水的二次入渗； 、在滑坡坡面需要布置排水沟时，应在渗透系数（入渗率）变化的地带，坡面纵坡变化的地带布置，可以减少降雨入渗量。,滑坡体后缘及滑坡体可采用环形截水沟、排水沟、渗沟、排水隧洞、仰斜式排水孔等地表及地下排水措施。环形截水沟应设置在滑
18、坡体后缘距裂缝5m 以外的稳定斜坡面上。,二、地表排水工程设计,地表排水系统布置,二、地表排水工程设计,排水沟结构及附属构筑物,排水沟结构,跌水台阶,二、地表排水工程设计,排水沟附属构筑物,设计排水沟的纵坡，应根据沟线、地形、地质以及与山洪沟连接条件等因素确定。当自然纵坡大于120或局部高差较大时，应设置陡坡或跌水。,消能工 跌水井,陡坡和缓坡连接剖面曲线，应根据水力学计算确定；跌水和陡坡段下游，应采用消能和防冲措施。当跌水高差在5m以内时，宜采用单级跌水；跌水高差大于5m时，宜采用多级跌水。,沉砂池,沉沙池出口段宜采用两侧均匀收缩的对称布置出口段长度可取水流收缩角宜为必要时出口处可设置迭梁式
19、活动底坎,缓冲池,八字翼墙,排水沟进出口平面布置，宜采用喇叭口或八字形导流翼墙。导流翼墙长度可取设计水深的34倍。,周围截水排水沟应设置在滑坡体或老滑坡后缘最远处裂缝5m以外的稳定斜坡面上。平面上依地形而定，多呈“人”字形展布。沟底比降无特殊要求，以顺利排除拦截地表水为原则。根据外围坡体结构，截水沟迎水面需设置泄水孔，尺寸推荐为100mm100mm300mm300mm。,泄水孔,当排水沟通过裂缝时，应设置成叠瓦式的沟槽，可用土工合成材料或钢筋混凝土预制板做成。,有明显开裂变形的坡体，应及时用粘土或水泥浆填实裂缝，整平积水坑、洼地，使降雨能迅速向排水沟汇集、排走,滑坡体上若有水田，应改为旱地耕作
20、。若有积水池、塘、库，应停止耕作。滑坡体后缘(外围)，若分布有可能影响滑坡的积水的池、塘、库时，宜停止耕作；否则，其底和周边均须实施防渗工程。,当排水沟断面变化时，应采用渐变段衔接，其长度可取水面宽度之差的520倍。,排水沟其他要求,三、地下排水工程设计,地下排水工程措施有：渗沟、盲沟、渗井、排水洞、排水孔、集水井、盲洞，渗井等。滑坡地下排水工程中应用较多的是渗沟、盲沟、排水洞、排水孔、集水井。,渗沟按作用不同，可分为支撑渗沟、边沟渗沟及截水渗沟三种,渗沟,1 支撑渗沟,适用深度（高度）为210m，用以支撑不稳定的滑坡体，兼起排除和疏干滑坡体内地下水的作用。,支撑盲沟主干平行于滑动方向，布置在
21、地下水露头处或有土中水形成坍塌的地方。支沟根据坡面汇水情况合理布置。如滑坡推力较大，可与抗滑桩、挡土墙相结合的结构形式，以支撑滑坡体。,支撑渗沟布置示意图,支撑盲沟布置,支撑盲沟布置,支撑渗沟的深度一般不超过10m，宽度一般采用24m，视渗沟深度、抗滑需要及便于施工等因素而定。支撑渗沟的基底应埋入滑动面以下0.5m，并设置2%4%的排水纵坡，当滑动面较陡时，可修筑成台阶，台阶宽度视实际需要而定，一般不应小于2m。为进一步加强支撑作用，台阶底部可设置浆砌片石牙石。为防止淤积，渗沟进水侧壁及顶端应设置反滤层。,支撑盲沟结构,支撑盲沟计算,三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求,支撑盲沟计算,三峡库区
22、地质灾害防治工程设计技术要求,2边坡渗沟,当滑坡前缘的边坡有地下水均匀分布或坡面有大片潮湿时，修筑边坡渗沟，可以疏干和支撑边坡，同时也能起到截阻坡面径流和减轻坡面冲刷的作用。边坡渗沟间距取决于地下水分布、流量和边坡土质。一般采用610m。边坡渗沟深度一般不小于2m，宽度约1.52m。基底可修筑成台阶状,边坡渗沟结构,3截水渗沟,当有丰富的地下水进入滑坡体时，可在垂直于地下水水流的方向上设置截水渗沟，以拦截地下水，并排出滑坡体外。截水渗沟应修筑在滑坡体可能发展的范围5m以外的稳定土体上，平面上成折线或环形。深度一般不小于10m，断面大小不受流量控制，主要取决于施工方便。基底应埋入最低一层含水层下
23、的不透水层或基岩内。渗沟的迎水沟壁应设反滤层，背水沟壁应设隔渗层。不支冲刷四周孔壁圬工前提下，尽量采用较陡的纵坡。,图3-3 截水盲沟示意图,排水洞,地下排水洞是人工开挖的隧洞，通常在隧洞的周围还布置一定深度的排水孔。形成一个有效的降低地下水位的排水系统。由于岩体中的地下水属于裂隙渗流，因此这样的排水系统可以截获地下水，达到降低边坡内地下水位的目的。 地下排水工程应有专门的设计，以论证设置地下排水井后，地下渗流场的改变及其对滑坡稳定性的改善。 排水硐一般平行于滑坡的走向方向布置，必要时可以有其他方向布置的支洞，以穿过可能的阻水带，扩大控制地下水的范围。对于较高的边坡，通常需要在不同高程布置若干
24、条排水洞，以对打范围的排走山体内的地下水。,在船闸南北两侧边坡岩体中各布置了7层共14条排水洞，尺寸为2.5m 3m 和3m3.5m(兼作锚固洞)。相邻两层排水洞高差在2533m左右。两层排水硐之间设排水孔幕，排水孔间距2.02.5m。下一层排水洞的排水孔超过上层排水洞底板高层0.5m。南北直立坡和中墩衬砌墙背后岩体坡面上设置有水平和竖向排水管网。对开挖过程中发现的随机块体附近亦设了排水孔，并将排水孔接入排水管网。排水管网的水直接排向闸室底板内的排水廊道。,地下排水采用地下排水硐结合排水井的方案。排水硐布置在斜坡中前段的基岩中，分纵向排水硐和横向排水硐。纵向排水硐洞口高程1568.94m，仰斜
25、坡度11.47%，长240.7m，轴线方向为149.9。横向排水硐为DK4DK5段，长82.1m，轴线方向57。平面上纵、横排水硐垂直相交于KD2点。排水硐总长，322.8m。排水硐断面采用直墙圆拱形隧洞，净断面尺寸为直墙高1.2m，圆拱半径1.0m，硐顶高2.2m，宽2m。硐顶衬砌设置泄水孔。,排水孔,排水孔是地下排水的一种重要方式。排水孔施工简单、快速。而且可以控制较大范围的地下水。排水孔通常可分为两种。 （1）通过坡面打排水孔，疏干地下水 （2）与地下排水廊道或抽水井相连，以增加这些排水建筑物的控制范围。 排水孔的主要缺点是排水孔容易被淤堵。需要后期维护,集水井水平钻孔联合排水,仰斜孔群
26、。 是一种用近于水平的钻孔把地下水引出，从而达到疏干滑坡体、使滑坡稳定的措施。仰斜排水孔的位置，可按滑体地下水分布情况，布置在汇水面积较大的滑面凹部。 孔的仰斜角度应按滑动面倾角以及稳定的地下水面位置而定，一般采用10-15。孔径的大小由施工机具和孔壁加固材料决定，可以从几十毫米到一百毫米以上。 如果仰斜排水孔作为长期的排水通道使用，那么孔壁就需要用镀锌铜滤管、塑料滤管或竹管加固，也可用风压吹砂填塞钻孔。 当含水土层（如黄土）渗透性差时，可采用砂井仰斜排水孔联合排水措施，以砂井聚集滑坡体内的地下水，用斜孔穿连砂井并把水排出。在这种排水措施中，原则上斜孔应打在滑动面以下。砂井的井底以及砂井与斜孔
27、的交接点，也要低于滑动面。 砂井中的充填料应保证孔隙水可以自由流入砂井，而砂井又不会被细粒砂土所淤积。,垂直钻孔群排水： 是一种用钻孔群穿透滑动面，把滑坡体内储藏的地下水转移到下伏强透水层，从而将水排泄走的一种工程措施。 每一种工程措施都有一定的适用条件，垂直孔群的适用条件是：滑坡体土石的裂隙度高、透水能力强、在滑动面下部存在的排泄能力强的透水层。 垂直孔群一般是在地下水集中地区和供水部位，采用成排排列的方式进行布置。每排孔群的方向应垂直于地下水的流向。 排与排的间距约为孔与孔间距的1.5至5倍。 排水钻孔的孔径，要求每孔的设计最大出水量应大于钻孔实际涌水量。 为了达到钻孔排水的目的，每个钻孔都必须打入滑动面以下的强透水层中，并且要求在每孔钻进终了时，都要安设过滤管，在过滤管外天充填砂砾过滤层。对于不设过滤管的钻也，应该全部充填砂砾。在孔口应设置略高于地面的防水层。,集水井,当通过排水洞和排水孔汇集的地下水不能依靠重力自动排坡外时，可考虑采用集水井排水工程。在滑坡体外的相对稳定区域，选择地下水最集中的位置，设置直径大于3.5m的竖井，并在井壁上设置短的水平钻孔，一般为23层，使附近的地下水汇集到井中，可以采用附有浮动开关的水泵自动把水排出。,四、地下排水工程计算,