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高溫多雨地區公路水文地質特征及水害防治技術

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出版社:科學出版社出版時間:2021-06-01
開本: 16開 頁數: 246
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高溫多雨地區公路水文地質特征及水害防治技術 版權信息

高溫多雨地區公路水文地質特征及水害防治技術 內容簡介

本書針對公路水害問題,首先介紹了基于水文地質特征的公路水害分類方法,揭示了大氣降水水文地質與公路水害的直接關系;其次從水文地質學角度研究了路基路面水分遷移、隧道地下水運動和排水孔淤堵的發生與發展規律;再次提出了水害綜合探測分析方法,實現了按不同水文地質特征分類的水害處治技術;很后研發了新型排水設施,構建了公路沿線構筑物“查、截、堵、排、養”一體化的防排水系統設計施工養護技術。 本書適合交通、土木、水利、巖溶工程設計及施工等工程領域的科研和工程技術人員閱讀。

高溫多雨地區公路水文地質特征及水害防治技術 目錄

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 概述 1
1.2 公路工程水文地質研究現狀 2
1.3 公路防排水技術研究現狀 3
1.4 公路水害現狀及水害防治技術發展現狀 4
1.4.1 公路水害現狀 4
1.4.2 公路水害防治技術發展現狀 6
1.4.3 公路水害防治技術存在的問題 7
1.5 高溫多雨地區公路水害防治關鍵技術 7
第2章 高溫多雨地區公路水文地質特征 10
2.1 高溫多雨地區公路水文地質特征與地質災害分布特征 10
2.1.1 氣候特征 10
2.1.2 地表水特征 11
2.1.3 地形地貌特征 12
2.1.4 地下水類型及工程特性 12
2.1.5 地下水分布特征 13
2.2 高溫多雨地區公路水文地質區劃及地質災害分布特征 13
2.2.1 公路水文地質區劃 13
2.2.2 基于水文地質區劃的地質災害分布特征 15
2.3 公路工程與水文地質相互影響關系 20
2.3.1 公路路基路面與水文地質相互影響關系 20
2.3.2 公路路塹邊坡與水文地質相互影響關系 21
2.3.3 公路隧道與水文地質相互影響關系 24
第3章 高溫多雨地區公路水害特征及分類 30
3.1 填方路基水害特征及分類 30
3.2 路塹邊坡水害特征及分類 31
3.2.1 滑坡 31
3.2.2 泥石流 43
3.2.3 坍塌 44
3.2.4 坡面病害 45
3.3 路面水害特征及分類 46
3.3.1 瀝青路面的水害類型 46
3.3.2 水泥路面的水害類型 51
3.4 地下構筑物水害特征及分類 52
3.4.1 地下構筑物水害特征 52
3.4.2 隧道水害分類 54
第4章 填方路基水害防治技術及效果評估 57
4.1 非飽和填方路基水分遷移規律 57
4.1.1 路基水分存在形式及水分變化對路基特性的影響 57
4.1.2 非飽和路堤邊坡降雨入滲的室內模型試驗 59
4.1.3 高速公路路基水分遷移規律的現場監測與分析 66
4.1.4 含水率和壓實度對路基回彈模量影響試驗 68
4.2 填方路基水害治理關鍵技術 76
4.2.1 注漿加固 76
4.2.2 增設排水系統 77
4.3 填方路基水害治理工程及效果評價 78
4.3.1 工程概況 78
4.3.2 病害概況 78
4.3.3 病害處治措施 78
4.3.4 處治效果評價 80
第5章 挖方路基水害防治技術及效果評估 81
5.1 挖方路基坡面沖刷和坡體滲流破壞機理 81
5.1.1 受降雨入滲影響的邊坡整體穩定性演化機制 81
5.1.2 邊坡坡面和坡體雨水滲流理論與計算方法 84
5.1.3 公路邊坡仰斜排水孔淤堵機理 89
5.2 挖方路基水害治理關鍵技術 108
5.2.1 邊坡防護和排水措施適用性分析 108
5.2.2 多種措施相結合的邊坡水害治理技術 110
5.3 挖方路基水害治理工程及效果評價 116
5.3.1 廣東某高速公路B西段K101邊坡處治工程 116
5.3.2 廣東某高速公路C K18邊坡排水及支擋綜合處治工程 125
5.3.3 廣東某高速公路D K108邊坡排水隧洞處治工程 129
第6章 路面結構水害防治技術及效果評估 135
6.1 路面結構滲水和動水壓力破壞機理 135
6.1.1 瀝青路面動水壓力破壞機理 135
6.1.2 瀝青路面結構滲水規律 138
6.1.3 開裂瀝青路面結構的滲水量計算 146
6.2 路面結構水害治理關鍵技術 158
6.2.1 瀝青路面水害治理關鍵技術 158
6.2.2 水泥路面水害治理關鍵技術 162
6.3 路面結構水害治理工程及效果評價 165
6.3.1 廣東某高速公路A水泥混凝土路面水損害處治工程 165
6.3.2 廣東某高速公路B東段水泥混凝土路面水損害處治工程 169
6.3.3 廣東某高速公路B西段水泥混凝土路面水損害處治工程 172
6.3.4 廣東某高速公路C水泥混凝土路面水損害處治工程 173
6.3.5 汕頭海灣大橋引道水泥混凝土路面水損害處治工程 174
6.3.6 廣東某高速公路D瀝青混凝土路面唧漿處治工程 177
6.3.7 廣東某高速公路E瀝青混凝土路面唧漿處治工程 182
6.3.8 廣東某高速公路F瀝青混凝土路面唧漿處治工程 185
第7章 地下構筑物水害防治技術及效果評估 188
7.1 地下構筑物地下水滲流破壞機理 188
7.1.1 巖溶區隧道水害影響試驗及滲流破壞機理 188
7.1.2 巖溶區隧道水害影響數值模擬及滲流破壞機理 200
7.2 地下構筑物水害治理關鍵技術 204
7.2.1 隧道水害處治原則 204
7.2.2 隧道水害處治技術 204
7.3 地下構筑物水害治理工程及效果評價 208
7.3.1 廣東某高速公路隧道A滲漏水處治工程 208
7.3.2 廣東某高速公路隧道B水害處治工程 217
第8章 公路水害治理新技術和新型排水結構設計 223
8.1 公路水害與水文地質綜合探測方法 223
8.1.1 水文地質調查 223
8.1.2 地下水連通試驗 225
8.1.3 水文地質物探方法 226
8.1.4 構筑物結構檢測 229
8.1.5 排水系統檢查 230
8.2 新型公路防排水結構設計思路 230
8.3 排水系統設置原則 230
8.4 新型排水結構 231
8.4.1 曲紋網狀HDPE硬式透水管 231
8.4.2 新型邊坡可更換硬韌組合雙層曲紋網狀HDPE透水管 232
8.4.3 曲紋網狀HDPE方型透水管 237
8.5 新型排水系統設計 238
8.5.1 路基路面滲排水系統設計 238
8.5.2 路面滲水上基層橫向排水結構處治技術 238
8.5.3 邊坡排水系統設計 240
8.5.4 隧道排水系統設計 241
8.5.5 隧道新型排水系統 241
參考文獻 244
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高溫多雨地區公路水文地質特征及水害防治技術 節選

第1章 緒論 1.1 概述 我國地域遼闊,山地和丘陵地帶約占陸地國土面積的43%。在高溫多雨地區,臺風、強降雨等異常天氣頻繁出現,地震頻發,受山區地形復雜、構造發育等因素的綜合作用,地質災害頻發且隱患分布廣泛。根據國家自然資源部數據,2008~2017年全國累計發生地質災害149442起(圖1.1.1),其中僅2010年,我國南方高溫多雨地區就先后出現11次大范圍強降雨過程,強降雨引發的滑坡、崩塌、泥石流等地質災害頻發(圖1.1.2),造成公路交通基礎設施嚴重損毀,有11條高速公路、17條國道、上百條省道發生過水毀交通中斷事故,造成公路水毀損失118億元,且主要發生在江西、廣東、福建、浙江、湖南、湖北、廣西、重慶、貴州、四川這10個省區市。 圖1.1.1 2008~2017年地質災害數量及造成的直接經濟損失 我國經濟發展決定了公路交通網必須逐漸向崇山峻嶺延伸,但受山區復雜的工程地質條件、公路設計、施工及后期維護等因素的影響,公路水害頻發,已成為公路營運期的主要病害和危險源之一。 公路工程設計往往更加注重主體結構的質量與安全,對配套的防排水設施重 圖1.1.2 2010年地質災害類型構成 視程度則相對不夠,未充分考慮工程所處的水文地質環境對主體結構的影響,加 上道路施工對附屬設施的質量控制不嚴等,導致防排水工程的長期功能無法得到有效保障。此外,營運公路水害問題往往只考慮單一或者局部區域水文地質特征指標,未綜合考慮水害的產生、發展與公路建設造成的周邊水文地質變化之間的內在聯系,往往治標不治本,造成水害問題經常性復發。因此,解決高溫多雨地區公路水害難題是公路交通發展的重大需求。 1.2 公路工程水文地質研究現狀 公路是一種線型構造物,具有與大自然接觸面廣的特點,其使用性能在很大程度上由當地自然條件決定[1]。地下水作為主要的自然條件之一,若處理不當,往往會誘發一系列病害。地下水對公路工程危害的直接因素有地下水埋藏深度、地下水礦化度、地下水富水程度、滲流量等,對公路工程危害的間接影響因素有氣候條件、地貌、含水介質和含水層性質及降水等。 公路水文區劃是公路自然區劃的重要組成部分,它是在分析研究區域的流域特點、河流的補給類型、水情階段等的基礎上,根據公路建設的特點并結合實際情況,將研究區域劃分為不同等級的單元,為公路建設及營運提供科學依據[2]。 國外水文區劃研究起步較早,蘇聯達維多夫首先按海洋流域和大河流域將蘇聯分為10大流域,然后分為15個水文地理地區[3]。1983年,德國學者Czaya按照河流的集水面積是否位于同一氣候區,將河流分為6類。 我國水文區劃研究始于20世紀50年代,但真正的發展還是在改革開放以后[4-6]。我國水文區劃可以分為一般性水文區劃和以河流為主的水文區劃,以流域、水量(徑流深)、氣候帶等為主要劃分依據,適用于水資源估算和評價,為流域規劃、治理及各用水部門經濟用水提供科學依據,具有綜合水文區劃的特征。不同的分區方法各有其優勢和不足,采用的分區原則也不相同,研究人員應從應用的角度來選擇適合自身研究目的的方法。在水文區劃分區指標的研究過程中,早期的區劃由于理論、技術和各類實測資料有限,定性指標相對較多,定量和綜合性指標較少。隨著區劃研究不斷深入,理論不斷完善,技術不斷進步,研究層次不斷擴展,指標及指標體系也向綜合化、定量化、多元化方向發展。利用地理信息系統(geographic information system, GIS)技術平臺,通過空間數據分析、疊加運算等進行指標數值計算,進行公路水文區劃圖的編制,使公路水文區劃的研究跨上一個新臺階。我國水文區劃體系及公路自然區劃體系已有較豐富的研究成果,這為公路建設特別是公路橋涵構造物等的建設提供了科學依據,也為進一步開展水文區劃的研究提供了理論依據。然而,公路水文地質研究未與公路工程防排水系統設置、水害防治技術進行有機的結合,目前缺乏基于水文地質條件和特征對水害的形成、發展和防治系統的研究。 1.3 公路防排水技術研究現狀 國內外公路工程防排水系統設計主要包括路面路基結構排水、邊坡排水、隧道防排水三個方面。 路面內部排水系統的設置有利于及時排出路面結構中的水分,保持路面干燥,從而增強公路整體結構的穩定性。國內公路排水系統設計主要體現在材料選用方面的研究,還沒有涉及公路排水系統的結構設計,在結構設計方面,前期基本上是借鑒國外的設計方案。路基排水設計則必須考慮路基土的非飽和特性及非飽和滲流,基層和路基的濕度(含水量)與路面的回彈模量存在直接關系,隨著含水量的增大,其回彈模量減小。 我國的邊坡失穩大多與水有關,邊坡內部深層水的作用大大降低了邊坡的穩定性,進而導致邊坡發生水毀和滑坡等災害。邊坡排水目前除采用坡頂設置截水溝和坡面設置截排水溝截排地表水外,邊坡內部水分能否正常排出對保持邊坡整體穩定具有重要影響。仰斜排水孔是公路邊坡工程應用非常廣泛的一種截排水措施。 當前隧道排水系統包含洞外排水和洞內排水。洞內排水通過設置縱向、環向管將襯砌背后水引排至排水邊溝或中央排水溝。洞外排水一般采用洞口邊仰坡,以及洞頂地表根據地形條件設置截排水溝,防止洞口及邊坡受地表水沖刷,避免洞外地表水流入洞內。早期的防水系統是在隧道內設置內貼或外貼式防水層,目前已開始采用以防水混凝土為主的防水措施[7]。此外,可以通過在初期支護基面上噴涂一層防水層以達到防水的目的,但這種方法在國內仍處于試驗研究階段。 目前,我國防排水技術還存在幾類問題:①缺乏指導性的規范。美國、日本、德國等發達國家在20世紀80年代就制定了關于公路排水設計及養護的規范;我國在1997年頒布了《公路排水設計規范(附條文說明)》,2012年修訂后,該規范缺乏考慮公路修筑后周邊水文地質條件及氣候環境變化對公路工程長期性能的影響,而且我國還沒有公路內部排水系統養護的規定。②對防排水系統重視程度不夠。施工過程中較難控制隱蔽工程的質量等問題,導致工程防排水系統的功效、質量和長期使用性能難以得到有效保障。③缺乏可養護型排水結構,后期養護不到位。設計時沒有考慮隱蔽排水系統的養護可操作性,公路大部分隱蔽排水系統無法進行維修和養護。 1.4 公路水害現狀及水害防治技術發展現狀 地下水的補給、徑流及對工程的影響是工程水文地質學研究的內容。我國關于水文地質對構筑物和建筑物影響的研究主要集中于壩區滲漏、水庫滲漏、水庫浸沒、渠道滲漏、隧洞涌(突)水、工民建地區的滲流等問題,對公路工程水災害的防治研究較少且比較分散。 1.4.1 公路水害現狀 我國地域非常遼闊,存在非常多的山地丘陵地帶,山區公路的修建難度增大。受經濟條件的影響,在設計維護、施工維護和后期維護方面都存在一定的問題。尤其在高溫多雨地區,非常嚴重的水害問題引發了路基軟化坍塌、路面開裂、滑坡、隧道涌水等工程地質問題,從而直接影響公路工程的使用壽命和安全,如圖1.4.1所示。 (a) 路基路堤邊坡局部坍塌 (b) 板底脫空引發的路面開裂 (c) 邊坡滑坡 (d) 隧道涌水 圖1.4.1 公路水害類型 1.路基路面水害 公路和路基結構直接暴露于地表,受自然因素的影響較大,其中水對路基路面破壞的影響*大。公路路基水害主要為路基沉陷和邊坡滑塌,路面水害的主要表現形式包括松散、網裂變形、坑洞、唧漿、開裂與板底脫空等。路基內部水的分布對路面水損害有著重要的影響,無論是瀝青路面還是混凝土路面,路基作為路面結構的基礎,它的強度、剛度和穩定性對路面結構的整體強度、剛度和穩定性起著決定性的作用。影響路基強度、剛度和穩定性的因素主要有地理條件、地質條件、氣候條件、水文和水文地質與土的類別等,對具體的土類和施工水平而言,含水量和壓實度是*主要的影響因素[8]。 2.邊坡水害 濕熱多雨氣候條件是亞熱帶地區公路邊坡病害的重要誘發因素之一。公路邊坡水害的空間分布規律受地形地貌、巖土類型、地質構造、地震、降雨及人類活動等因素控制[9]。高溫多雨地區公路邊坡水害形式主要包括滑坡、泥石流、錯落、坍塌及坡面病害等。 3.隧道水害 水害是目前隧道普遍存在的問題,隧道水害主要表現為結構破損、涌水涌泥、滲漏水和地表塌陷等。日本曾在1996年對隧道滲漏水情況做過統計,發現總長4870km的隧道,58%的隧道出現滲漏,其中49%出現在拱部,23%出現在邊墻,28%的施工縫及變形縫出現滲漏水。隨著我國長大公路隧道里程的不斷增加,50%的隧道在施工和運營過程中曾發生較大規模的巖溶突涌水害[10]。廣東省作為典型的濕熱地區,粵北和粵西巖溶較為發育,如京港澳高速公路韶關至廣州段大寶山隧道、曲江至南雄高速公路白山隧道、S51羅陽高速公路陽陽段鵝步嶺隧道、云梧高速公路茶樹頂隧道等在運營期出現了襯砌破壞、涌水涌泥、滲漏水等不同程度的水害。 1.4.2 公路水害防治技術發展現狀 我國學術界和工程界對水害給予了高度的重視,也取得了顯著的成績,但是面對災害發生機理的復雜性及過程的突發性,以往更多地側重于機理研究,對策研究較少,反映出對災害與交通的相互影響及成災過程的研究不夠深入,尚沒有形成一套成熟的災害防治對策理論體系[11]。隨著我國公路建設飛速發展,由公路引起的或涉及公路的災害日趨增多。 1.公路路基路面水害防治技術現狀 路面積水、積水下滲和地下水上升是引發公路路基路面水害的主要原因之一。為了有效防治公路路基路面水害,國內外學者從設計、施工、養護等多個環節入手,進行了相關的研究。 (1) 設計階段預防措施。為了保證路面水能夠及時排出,應采用更加合理的路基路面排水系統,如橫坡設計應在確保安全和排水能力的前提下適當加大[12],避免因路基下沉和施工等原因而出現平坡甚至反坡現象。此外,通過設置中央分隔帶、縱向排水盲溝,使裂隙水、路面滲水、路基地下水順利排出,從而有效避免水害。 (2) 施工階段質量控制。施工中宜選用防水性能較好的混合料,嚴格控制混合料的空隙率,確保混合料具備良好的高溫性能及水穩定性,提高路基路面的密實度,避免雨水下滲,損害路面基層,從而提高路基路面結構的可靠性、穩定性。對于瀝青路面,還應提高瀝青與集料的黏附性。 (3) 養護階段處治措施。對于早期出現的裂縫、唧漿等病害,在路面整體強度較好路段,單純性的裂縫、唧漿一般采取高聚物注漿與焊縫技術處理。對于發現的裂縫,要及時采用灌縫工藝進行灌縫,防止雨水滲入路面。對于已經產生網裂、唧漿等病害的路面,一般采用挖除病害位置路面面層和松散的水穩基層,以及填料填筑的方式進行處治。對接縫密封材料要加強養護,如果接縫中的密封材料出現流失或老化,應及時補充或更換密封材料,以使其保持良好的彈性和防水性能。 2.公路邊坡水害防治技術現狀 在防治公路邊坡降水型滑坡、泥石流方面,目前國內根據滑坡的性質、成因、規模、滑體厚度及對工程的危害程度提出了相應的工程治理措施。其中,主要的工程治理措施有10個:①繞避;②加載反壓;③削坡減載;④抗滑擋墻;⑤抗滑明洞;

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