在役土坡软式排水管淤塞机理及其排水效应定量研究

The clogging problem of slope drainage pipe causes blockage of drainage and reduction of the effective service life. So it is one of the important factors affecting the durability of slope engineering. So far the study is mainly based on the excavation test or macro-test. The relevant theoretical issues still need be deeper studied. The clogging accumulation process is the process of soil particles in the slope shifting to the drainage pipe. Starting from the mesoscopic level, clogging mechanism and drainage effect of the soft drainage pipe will be researched. With the help of indoor macro and mesoscopic model test, clogging effect and drainage effect of different factors are analyzed, such as drainage pipe layout mode, slope grading and anti filter layer. With introducing the analysis method of granular medium particle discrete element numerical, overcoming the macroscopic continuity hypothesis in traditional continuum mechanics model, the process of soil particles moving and arrangement of micro structure will be studied. Clogging mechanism of drainage pipe will also be discussed from two aspects of qualitative and quantitative. The clogging degree evaluation model will be established. The clogging degree value and engineering calculation method of effective servicing life of drainage pipe will be proposed. The service life of field drainage pipe can be predicted. So this project can provide theoretical basis for scientific evaluation of the durability of drainage system and long-term stability of slope engineering.

土坡排水管淤塞问题，导致其排水受阻及工程有效服役寿命缩减，成为制约边坡工程耐久性的重要因素之一。目前研究主要基于开挖试验或宏观测试，相关的理论问题还需进一步深入。淤塞累积进程是边坡土层颗粒向排水管壁不断转移的过程，从细观层面入手，对土坡软式排水管淤塞机理及其排水效应展开定量研究。借助室内宏、细观模型试验，考虑边坡干湿循环间歇性排水的特点，分析排水管布设模式、边坡颗粒级配及反滤层设置等因素对排水管产生的淤塞效应及排水效应；引入散粒介质的颗粒离散元数值分析方法，克服传统连续介质力学模型的宏观连续性假设，研究淤塞过程中边坡土层颗粒移动及排列等细观结构变化特征，宏、细观结合从定性到定量深入探讨排水管淤塞机理；建立淤塞度评价模型，提出满足边坡稳定的排水管淤塞度域值及其工程有效寿命的计算方法，预测野外在役排水管未来服役寿命。为科学进行边坡排水系统的耐久性评估及边坡工程的长期稳定性评价提供理论依据。

土坡排水管淤塞问题，导致其排水受阻及工程有效服役寿命缩减，成为制约边坡工程耐久性的重要因素之一。淤塞累积进程是边坡土层颗粒向排水管壁不断转移的过程，通过物理模型试验、理论分析及数值模拟等手段，宏观与细观相结合，对土坡软式排水管淤塞机理及其排水效应展开定量研究。研究后缘水头补给情况下，边坡中湿润锋发展规律；考虑水动力条件、排水管布设方式及土粒级配情况下边坡各点孔隙水压力分布规律、排水管流量变化规律及对边坡变形发展的影响，揭示边坡排水机理；定义淤塞度的概念，分析淤塞的时间效应及影响淤塞的主控因素，揭示排水管淤塞机理，提出淤塞度评价模型；给出反淤塞方法；研究淤塞情况下工程边坡排泄量变化规律，获取保证边坡稳定的淤塞度阈值。结果表明，变水头作用下，随边坡后缘水头定值增加，坡体内孔隙水压力值近似呈线性增加；透水管渗流速度的变化趋势分为三个阶段：①平稳期②增长期③平稳期。边坡后缘地下水位抬升、透水管孔长增大、透水管下端封堵能够有效提高透水管导水能力；透水管的布设位置和安装数量，均对边坡的渗流场产生影响。随着边坡服役的软式透水管根数的减少，单根软式透水管的排泄量上升，总排泄量下降；软式透水管的淤塞受到透水管排泄速度、使用时间及动水压力变化的影响显著，透水管标准质量增加量及表面淤塞面积在排水初期淤塞增长较快，后期呈现逐渐减弱的趋势。不同土体的梯度比GR值随时间均呈现明显的三阶段特征，即渗流通道开始快速发育时梯度比快速下降，渗流通道逐渐成型时梯度比下降速度变缓，以及土体细颗粒对排水管壁开始淤塞时梯度比缓慢上升；基于土体细颗粒的沉淀动态方程，建立相应的淤塞数学模型；实际边坡工程中，在边坡高程较低处布设一排软式透水管的作用效能较两排更高；当软式透水管的外壁淤塞度达到 70%时，透水管的排泄量已很低。研究成果为科学进行边坡排水系统的耐久性评估及边坡工程的长期稳定性评价提供理论依据。