（岩土工程专业论文）土工滤网在管涌抢险中的应用研究.pdf

中文摘要 近几年来采用土工织物代替传统的砂砾石料反滤层来抢护管涌险情得到了 广泛的应用。采用土工织物抢护管涌险情取得了良好的效果，具有显著的社会、 经济、生态效益。土工织物抢护堤防管涌破坏时所表现出来的滤层特性，不同于 其作为堤坝常规滤层时的情形。土工织物作为常规滤层时，是将其预先铺设在所 保护土体的表面，使用过程中，其水流流速较小，土体颗粒移动缓慢，而土工织 物抢护管涌时，其水流流速大，水中含有大量运动的泥沙颗粒，且土工织物在堤 防发生管涌破环后再置于其上。 在水利工程的抢险工作中，有一类管涌，在一定的水压下，使挟砂水流经过 地表土层的通道喷射而出，形成高度为数厘米至一米以上的水柱。这类管涌，可 称为“喷泉管涌”或“喷砂管涌”，如抢救不及时，孔径不断扩大，可能造成严 重的灾害。有人曾应用抢护一般“管涌”的方法，以土工织物作为抢险材料，根 据滤层理论，按照砂粒的大小选择织物的孔径，来抢救“喷砂管涌，常常遇到 失败的后果l l j 。 在实际抢护堤防管涌破坏的过程中，能否应用土工合成材料，主要在于土工 合成材料能否起到“排水抑砂的作用。“排水抑砂主要可以理解为保护堤防 土体不大量流失和具有足够的透水性，使管涌破坏渗出的水量及时排走，而不致 由于渗压过大引起周围土体再出现管涌破坏现象。通过试验前期的理论研究，认 为土工合成材料拦截管涌破坏中的挟砂水，挟砂水中砂粒会在材料内侧形成一个 天然的反滤层，通过这层天然滤层来起到明显的“排水抑砂作用。 本次实验将根据“喷砂管涌”的实际情况和特点进行模拟，采用土工织物、 土工网和土工滤网等对其进行抢护，并根据试验现象及试验数据总结归纳采用土 工合成材料抢护“喷砂管涌相关结论。 关键词：土工合成材料，喷砂管涌，排水抑砂，天然滤层 a b s t r a c t i nt l el a s tf e wy e a r su s e d g e o t e x t i l et or e p l a c et h et r a d i t i o n a lg r a y e ls t o n e m a t e r i a li n v e r t e df i l t e rt oe m e r g e n c yp r o t e c tt h ep i p i n gd a n g e r o u s s i t u a t i o nt oo b t a i n t h ew i d e s p r e a d a p p l i c a t i o n u s i n gg e o t e x t i l e t o e m e r g e n c yp r o t e c tt h ep i p i n g d a n g e r o u ss i t u a t i o nh a sm a k e nag o o dp r o g r e s s ，i th a sr e m a r k a b l es o c i e t y , e c o n o m y , e c o l o g i c a lb e n e f i t t h ef i l t e rc h a r a c t e r i s t i ci ts h o w st h a tu s eg e o t e x t i l et oe m e r g e n c v p r o t e c tw h e nt h ee m b a n k m e n tp i p i n gd e s t r u c t i o no c c e r s ，w h i c hi sd i f f e r e n tw i t ht h e s i t u a t i o nt h a ti sa st h ed i k ec o n v e n t i o n a lf i l t e r w h e nu s eg e o t e x t i l ea sa c o n v e n t i o n a l f i l t e r ，i sp r e v i o u s l yl a y i n gi to nt h es u r f a c eo ft h ep r o t e c t e ds o i lb o d y ，u s ei nt h e p r o c e s s ， i t ss p e e do ff l o wi ss m a l l ，t h es o i l b o d yp a r t i c l em i g r a t i o ni ss l o w b u tw h e nu s i n g g e o t e x t i l et oe m e r g e n c yp r o t e c tt h ep i p i n g ，i t ss p e e do ff l o wi sb i g ，t h e r ei sal o to f m o v e m e n ts p l i tp a r t i c l e ，a n dw ep u tg e o t e x t i l ea b o v et h es o i l b o d ya f t e rt h ep i p i n g o c c e r s i nh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g e m e r g e n c yp r o t e c t i n g ，h a sk i n do fp i p i n g ，u n d e ra c e r t a i nh y d r a u l i cp r e s s u r e ，c a u s e st ot h ew a t e rw i t hs a n db l o w i n gt h r o u g h t h es u r f a c e s o i l l a y e rc h a n n e l ，a n df o r m sw a t e rc o l u m nw i t has e v e r a lc e n t i m e t e r st om e t e r h i g h t w ec a l lt h i sp i p i n g “s p o u t i n gs p r i n gp i p i n g o r “s a n d b l a s t i n gp i p i n g ”，i fr e s c u e n o tp r o m p t , t h ea p e r t u r ec o n t i n u o u s l ye x p a n d s ，p o s s i b l yc r e a t e ss e r i o u sd i s a s t e r s o m e p e o p l eo n c ea p p l i e dt h eg e n e r a lm e t h o do fe m e r g e n c yp r o t e c t i n g ep i p i n g ，b u t c o m e sa c r o s st h ed e f e a tc o n s e q u e n c ef r e q u e n t l y ，b yu s i n gg e o t e x t i l ea se m e r g e n c y p r o t e c tm a t e r i a lb yf i l t e rt h e o r y ，a c c o r d i n gs a n dg r a i ns i z et os e l e c tt h ea p e r t u r eo f g e o t e x t i l e ，t or e s c u e “s a n d b l a s t i n gp i p i n g ” i nt h er e a l i t ye m e r g e n c yp r o t e c ti nt h ep r o c e s sw h i c ht h ee m b a n k m e n tp i p i n g d e s t r o y s , w h e t h e rt oa p p l yg e o - s y n t h e t i c s ，i td e p e n d so nw h e t h e rg e o t e x t i l ep l a yt h e r o l et h a t “a b s t r a c t i o no fw a t e ra n ds u p p r e s s i o no fs a n d ”“a b s t r a c t i o no fw a t e ra n d s u p p r e s s i o no fs a n d ”m a i n l yt ob eu n d e r s t o o dt h a th ep r o t e c t se m b a n k m e n ts o i lb o d v n o tm a s s i v er u n n i n go u ta n dh a st h ee n o u g hw a t e rp e r m e a b i l i t y ，e n a b l e st h ew a t e r f l o wa w a yw h i c ht h ep i p i n gd e s t r u c t i o ns e e p so u t ，a n dn o ta sf o rt h eo s m o t i c p r e s s u r e c a u s e st h es o i lb o d yt op r e s e n tt h ep i p i n gd e s t r u c t i o np h e n o m e n o na g a i n t h r o u g ht h e f u n d a m e n t a lr e s e a r c hb e f o r et h ee x p e r i m e n t ，w et h o u g h tt h a tg e o s y n t h e t i c sh o l d u p t h ew a t e rw i t hs a n dc r e a t i n gb yp i p i n g ，a n dt h es a n dg r a i ni nt h ew a t e rw i l lf - o 册a n a t u r a li n v e r t e df i l t e ri nt h em a t e r i a l i n s i d e ，w h i c hp l a y st h eo b v i o u sr o l eo f ”a b s t r a c t i o no fw a t e ra n d s u p p r e s s i o no fs a n d ” 1 h 1 s 。x p e n m e n t w i l ic a r r y o nt h es i m u l a t i o na c c o r d i n gt ot h e a c t u a ls i t u a t i o na n d ：；蛔缸域忆o f “湖d b l a s t i n gp i p i n g ”，u s i n gg e o t e x t i l e 、w i n d o ws c r e e n i n ga n dt h e n a r dn e ta n ds oo nc a r r i e so nt oi te m e r g e n c y p r o t e c t ，a n ds u m m 哪a n di n d u c t i o nt h e c o n c j u s l o na b o u tu 8 i n gg e o 。s y n t h e t i c st o e m e r g e n c yp r o t e c tc c s a n d b i a s t i n gp i p i n g ，b y l ( e y w o r d s ：g e 。一s y n t h e t i c s ，s a n d b l a s t i n gp i 隅ia b s 嘶i o n o fw a t e r 卸d s u p p r e s s i o no fs a n d ，n a t u m lf i l t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特另z d i ：i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：敛。j - - r 同期：6d 7 年6 月z 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字闩期：7 叼年多月上同 签字同期： 钞 夕 砷年多月弓同 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 堤防是江河防御洪水的主要屏障。目前，我国建有各类堤防2 5 万l 【m ，其中主 要堤防6 5 7 万k m 。但由于历史和自然条件以及人为因素的影响，故我国堤防在发 挥作用的同时，普遍上存在一定缺陷，如( 1 ) 坝基条件差，堤防傍河而建，堤 线选择受到河势条件限制：( 2 ) 堤身填筑质量差：( 3 ) 堤后坑塘多及堤脚未受到 保护。因此，当遭遇洪水时堤防经常发生管涌、滑坡、崩岸和溢满等险情，严重 者导致大堤溃决。其中管涌发生的现象最为普遍。1 9 9 8 年，据统计，长江、嫩江 和松花江流域共发生了2 4 6 4 起管涌险情，占总险情的1 5 8 。因此，人们亟待寻 求一种方便而又行之有效的抢护堤防管涌破坏的材料和方法1 2 j 。 随着人们对土工合成材料认识的加深和其在土木工程中的广泛应用，人们也 逐渐将其应用到防汛抢险工程中。1 9 9 8 年大洪水中，在抢护管涌破坏初期，土工 织物以其整体性和反滤性能良好、抢险速度快、适应性强以及储运方便等优点， 在一些堤防的管涌破坏抢护过程中得到了应用，但由于人们对当地土质、施工程 序、所采用的土工织物的特性并不十分清楚，导致土工织物发生淤堵等现象，从 而没有达到预期的抢护效果。因此，需要广大学者对“土工合成材料抢护管涌破 坏的应用”这一课题进行具体的研究与实施，以促进土工合成材料在防汛抢险中 得到更为科学的应用。 1 2 国内外应用研究现状 1 2 1 国外土工合成材料在土建工程中的发展史 土工合成材料作为一种新的土建工程建筑材料的历史不长，即使自首次由美 国杜邦公司制成现代聚酰胺( 尼龙) 合成纤维，1 9 4 0 年成为商品以来，也只有6 0 多年的历史。但由于合成纤维发展速度很快，在很短时间内不仅在民用上风靡全 球，而且很快就超出民用范围扩大到工业、土建工程和局势等部门，发展成为一 种新型的土建工程材料。土工合成材料最早用于土建工程的年代尚待考证。但土 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 工薄膜的应用则可追溯至1 2 0 世纪3 0 年代，先用于游泳池和灌溉渠道防渗，然后发 展到土石坝、水闸及其他土建工程。至今将合成纤维材料真正用于土建工程，则 是从2 0 世纪5 0 年代末期开始的。 1 9 5 7 年，荷兰用尼龙有纺织物做成充砂管袋用于护岸和堵口工程。 1 9 5 8 年，美国在佛罗里达州大西洋海岸防护工程中，将聚氯乙烯有纺织物代 替传统的砂砾石滤层置于土与块石之间，经过2 7 年的运用，情况仍然良好。 1 9 5 9 年，在日本伊势湾修复围堤沉排时，采用维尼纶织布替代沉排。5 年后 检查未发现腐蚀现象，强度也没有明显下降。 1 9 6 2 年，美国杜邦公司开发纺粘法长纤维无纺布以取代短纤维无纺布，作为 滤层和导水体应用于道路和护岸等土木工程。 1 9 6 7 年，英国、日本应用土工格栅修建加筋土堤，并予以推广。 总之，从2 0 世纪5 0 年代末期开始至6 年代期间，有纺和无纺土工织物在土建 工程( 特别是水利工程) 中成功的用作反滤、排水及隔离材料，推动了土工合成 材料的应用1 3 】。 2 0 世纪7 0 年代，由于纺粘法无纺布的大量生产，使土工织物的应用有了新的 发展，其特点首先是范围日益广泛，在水利水电、海港、公路、铁路、建筑和国 防等各个领域中都得到了应用；其次像美国陆军工程师兵团水利学研究室等科 研、教学单位都针对土工合成材料的应用展开了系统的试验和理论研究工作，大 大促进了土工合成材料科学的发展。例如，1 9 7 0 年法国修建的法拉克罗斯 ( v i a c r o s ) 土坝，就在上游块石护坡底层和下游坝趾排水体周围铺设了土工织 物；以后，几乎每座土石坝出于不同原因都使用了土工织物，土工织物在法国得 到了广泛应用。 1 9 7 7 年，在法国召开了首届国际土工织物会议。 从1 9 7 8 年开始，在坝高达8 0 m 的土坝中也采用土工织物排水和反滤系统，如 西德的佛朗奥( f r a u a n c u ) 坝和南非的斯特里基多姆( s t r i j d o m ) 坝。 2 0 世纪8 0 年代以后，土工合成材料的应用又有了新的飞跃，产品型式不断革 新，各种复合型、组合型土工合成材料不断涌现。据统计，1 9 8 5 年国外生产土工 织物的大公司就接近4 0 家，其中美国的杜邦公司、法国的罗纳普朗克公司等都在 国际上享有盛名，前者年产土工织物4 6 万吨，可提供2 4 种不同性能和用途的土 工织物。到1 9 8 4 年全世界使用土工合成材料的工程超过1 0 万项，铺设土工织物面 积超过3 亿m 2 。 1 9 8 2 年，在美国召开了第二届国际土工织物会议( 讫后每4 年召开一次) 。 1 9 8 3 年成立了国际土工织物学会( 简称i g s ) 。土工合成材料工程逐渐形成一门 以岩土力学和工程力学为基础，与高分子聚合物及纺织工业生产相联系，应用于 天津大学硕士学位论文第一章绪论 土建各个领域的新的边缘学科h j 。 土工合成材料在我国的应用开始于2 0 世纪6 0 年代中期，首先是把塑料薄膜用 于灌溉渠道防渗，较早的工程有山东打鱼张灌区、河南人民胜利渠、陕西人民引 渭工程等，主要是聚氯乙烯( 个别为聚乙烯) ，以后推广到蓄水池、水库和闸坝 工程。1 9 6 5 年，恒仁水电站用沥青聚氯乙烯热压膜锚固并粘贴于混凝土支墩坝上 游面，防治裂缝漏水获得成功，是我国采用土工合成材料处理混凝土坝裂缝的首 例。同年，河北省子牙新河献渠枢纽工程，采用粘土夹塑料膜构筑进洪闸上游铺 盖的防渗结构。此后，宁夏、陕西、北京、河北、山东、辽宁、黑龙江等地也都 在中小型( 后来推广到大型) 水库和土石坝( 包括补强除险工程) 中使用土工膜 和复合土工膜防渗，并取得了良好的效果。 我国在土工织物应用方面起步较晚，但发展速度很快。1 9 7 4 年，在江苏省长 江嘶马护岸工程中，首先使用由聚丙烯扁丝编织布为排体，结合聚氯乙烯绳网和 混凝土块压重组成软排体沉排，防止河岸冲刷。 8 0 年代以后，土工织物的应用日渐增多，尤其是针刺型土工织物在水利工程 中的应用，发展更为迅速。仅1 9 8 4 - - - 1 9 8 6 年3 年时间，云南麦子河水库、江苏昆 山暗管排水、内蒙的翰嗄利水库、天津鸭淀水库、黑龙江的引嫩工程、河北的庙 宫、山东省牟山水库，广北引黄平原水库等，都用其作反滤排水，效果良好。不 久，无纺土工织物的应用范围很快扩展到储灰坝、尾矿坝、港口码头、海岸护坡 及储油罐等地基处理领域。一大批生产针刺无纺织物的工厂也应运而生，纷纷建 成投产。 此外，土工排水板、土工网、土工格栅和土工膜袋等土工合成材料在我国也 得到长足发展。土工合成材料的应用领域已扩大到高速公路、铁路、飞机厂、电 厂、井灌、民用建筑等几乎所有土建工程行业。 至2 0 世纪9 0 年代末期，由于土工合成材料所具有的功能和特性及其在工程实 践中的卓越成效，引起了全国有关部门的充分重视，土工合成材料开始在一些国 家大型重点工程中得以应用。如三峡工程、秦山核电站、长江口整治工程、治黄 工程、治淮工程、京杭大运河、大型引黄平原水库工程和江河防汛抢险等，并获 得了较大的技术经济效益和社会效益。国内有关科研机构、大专院校、设计部门 结合工程世纪建立专项研究课题，进行长期系统的科学研究，培养出一批专攻土 工合成材料工程技术的硕士研究生、博士研究生。 据初步统计，到1 9 9 5 年，我国应用土工织物的工程项目累计超过1 万个，使 用土工织物近5 亿m 21 5 j 。 1 9 9 5 年，在1 9 8 4 年成立的全国土工合成材料技术协作网的基础上，成立了中 国土工合成材料工程协会。1 9 9 6 年在上海召开了第四届全国土工合成材料学术研 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 讨会暨第一届国际土工合成材料展览会，有力的推动了土工合成材料工程技术的 发展。 1 2 2 国外应用实例 1 加拿大海兰谷尾矿坝 该坝是土工织物的应用上是一个较好的实例：不列颠哥伦比亚省矿业有限公 司，在一个5 0 m 高的海兰谷尾矿坝坝基上使用了土工织物，其目的是保护排水垫 层的顶部和底部，排水垫层的作用是把重直排水砂井( 这些垂直排水砂井系设置 在冰j i i 湖软粘土上的坝基上) 中的孔隙水汇集起来，并再排泄出去。 首先，清除植物杂草，并将土工织物铺在整个坝基裸露的土面上，这是为了 使铺设在土上的排水填料免遭散失。其次穿过砾石垫层、织物和地基土层设置深 度为l o m 以上的大量垂直排水砂井，以减少孔隙水压力并加快坝体施工期间的固 结。最后，在排水垫层的顶部铺设一层土工织物以保护排水层不受一般填料杂物 的影响。 采用上述处理方法，可以节省一大笔清除坝基劣质土及以优质土料替换的费 用。因此。土工织物在坝工建设中有着广泛的应用前景。 2 马来西亚武吉美拉坝 马来西亚排灌计划加高武吉美计划加高武吉美拉坝，该坝主要用来灌溉槟榔 屿州西北沿海地区的大片种植园，在现有水位条件下大坝的运行是正常的，但十 余年来，该当坝下游坝下一直有少量渗漏，因此，在考虑提高水位以前，决定先 增设坝址压重和防止管涌的反滤层，而且工程部门决定采用土工织物。具体是将 坝趾和地石整平并清除大块石，然后，直接将土工织物铺设在地面上，并覆盖砾 石滤层，再在砾石排水层上铺另一层土工织物，以确保排水层不受杂物影响，最 后在土工织物上铺红壤土，以形成坝趾压重体。该项工程于1 9 7 6 年顺利完工并得 到了理想的效果。 3 法国阿尔克伊泽尔工程 法国阿尔克伊泽工程总库容为1 0 0 0 万m 3 ，该水库库址原为古冰川，现复 盖深达3 0 m 的细粒粘土和炭。为克服与这一困难地层及库区地基处理有关的问题， 而采用土工织物。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 一。_ 一 沥青 ；, - j - 垫 一 您 艇吐兹避静；诋 声磊r 一一l j4 剧。水蚣、 不透水垫层下抛石后面路面下心墙与垂直滤层之间坝址 排水层上面坝址排水滤层下面排水沟周围 图1 1 土工织物的应用位置 应用土工织物有效地减少对水库岸坡的冲刷，保护了排水、排水系统稳定和 库区的道路，诸多实例足以证实土工织物在坝工建设中的应用、有着极其广泛的 前景1 6 】。 1 2 3 国内土工合成材料应用现状 传统抢险材料主要是石料、柳料、秸料、麻料、铅丝、麻袋等。在以往的抢 险中，抛石、抛铅丝笼和捆抛柳石枕等措施，在黄河防汛抢险中发挥了重要作用， 抗御了历年的黄河大洪水，但传统的抢险材料和抢险技术也有其不足和局限性。 在黄河防洪抢险历史上，抛石护根一直是重要手段，但大量的抛石也带来了国家 投资的巨大耗费，而且石料储运的工作量相当大。柳料、秸料是传统的有效的抢 险材料，但其事先不易大量储备，临时采集不但容易误事，而且储运的工作量很 大，同时对生态环境也有不利影响。土工合成材料具有抗拉强度高、质地柔软、 产品规格化、适应变形能力强、重量轻、便于储运、便于施工、抢险速度快、整 体性好、造价低等优点，有较好的抢险效果，近年来在抗洪抢险中得到了广泛应 用。 目前，土工合成材料在水利工程、环境工程、公路建设、港口建设、机场建 设等领域均有应用，发展前景广阔。从以前黄河抢险的应用实例来看，土工合成 材料制品抢险效果较好。如2 0 0 0 年在马渡控导工程抢险中使用的长管土工膜袋就 起到了很好的作用。 1 3 本文的研究意义及主要工作 1 3 1 本文的研究意义 土工织物抢护堤防管涌破坏时所表现出来的滤层特性，不同于其作为堤坝常 规滤层时的情形。土工织物作为常规滤层时，是将其预先铺设在所保护土体的表 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 面，使用过程中，其水流流速较小，土体颗粒移动缓慢，而土工织物抢护管涌时， 其水流流速大，水中含有大量运动的泥沙颗粒，且土工织物在堤防发生管涌破环 后再置于其上。在水利工程的抢险工作中，有一类管涌，在一定的水压下，使挟 砂水流经过地表土层的通道喷射而出，形成高度为数厘米至一米以上的水柱，这 类管涌，可称为“喷泉管涌 或“喷砂管涌”，如抢救不及时，孔径不断扩大， 可能造成严重的灾害。有人曾应用抢护一般“管涌”的方法，以土工织物作为抢 险材料，根据滤层理论，按照砂粒的大小选择织物的孔径，来抢救“喷砂管涌”， 常常遇到失败的后果。 分析其原因，主要是因为对应用土工织物抢护管涌的经验尚不足，抢护管涌 险情时不能有效的选取土工织物，当选取的土工织物孔径过小时，土体的细颗粒 堵塞织物孔道，渗水不能及时排出，土体能渗压过大，出现新的管涌险情，造成 抢险的失败。 本课题的研究意义在于，通过实验分析应用土工合成材料的孔径与土体颗粒 的粒径大小如何协调，方能发挥土工合成材料的优势来抢护管涌，使其充分发挥 “排水抑砂”的作用，并使得以后在抢护“喷砂管涌”险情时，有据可循。减少 应用土工合成材料进行管涌抢险的失败例子，扩大其具有的社会、经济、生态效 益。 1 3 2 主要工作 本次实验将根据“喷砂管涌”的实际情况和特点进行模拟，采用土工织物和 土工滤网等对其进行抢护。主要工作如下： 自行设计的有机玻璃桶模拟“喷砂管涌”破坏，该装置的组成部分为： 有机玻璃圆筒、法兰盘、底座和u 形管，其中法兰盘和底座均为铁铝 合金打造。圆筒面积约为9 6 0 c m 2 ，高6 0 c m ，且具有上部的进水口底部 的出水口。 通过试验来比较分析土工织物和大孔径的土工网、土工滤网对抢护 “喷砂管涌”险情的效果，并给出相应建议。 通过理论研究和试验现象对比，分析土工合成材料抢护管涌险情时产 生的天然滤层的形成过程，研究其特点和影响因素。 通过试验，分析土工合成材料的孔径与透过材料的的水量、砂量、天 然滤层的形成时间、拦砂率等之间的关系。 分析土工合成材料的有效孔径与各方因素之间的关系，总结出如何根 据被保护土颗粒的粒径来选取土工合成材料才能达到明显的抢护效 果。 天津大学硕士学位论文第二章管涌抢护的基本原则和方法 第二章管涌抢护的基本原则和方法 管涌是江河大堤在汛期常见的险情之一。管涌是指在渗流水的作用下，填充 在土体骨架孔隙中的细颗粒被渗水带走并形成稳定的渗流渠道的地质现象。若不 及时排除，随着水的冲刷，堤基下层的泥沙不断涌出，管涌的直径越来越大，致 使堤基发生不均匀沉陷，最终导致崩堤。 我国现有堤防约2 5 万k m ，其中的主要堤防有6 5 7 万l 【m 但堤防存在堤基条件 差、堤身填筑质量差、堤后坑塘多及堤脚未加保护等弱点。因此，一旦遭遇洪水， 堤防经常发生管涌、滑坡等险情0 如1 9 9 8 年的特大洪水，长江中、下游干堤出现 的重大险情中，管涌险情占第一位，共有1 5 9 处，为各类险情总数的5 4 5 。多处 堤段的管涌险情由于未能及时得到有效控制，而造成堤防溃决。因此，有必要对 堤防管涌险情的破坏机理及其水流特性作深入地探讨，以便能合理、及时处理管 涌险隋，确保堤防工程的安全【7 】。 2 1 管涌渗透破坏机理研究现状 2 1 1 渗透破坏的主要形式 根据目前的研究，从渗流破坏形成机理的角度可以将渗流破坏形式分为流 土、管涌、接触流失和接触冲刷四种形式。前两种形式发生在单一土层中，后两 种形式发生在成层土层中，现分述如下： 流土，在渗透力作用下，土体中的某一颗粒群同时起动而流失的现象称为流 土。粘性土发生流土破坏的外观表现为：土体隆起、鼓胀、浮动、断裂等。无粘 性土发生流土破坏的外观表现是：泉眼( 群) 砂沸、土体翻滚最终被渗流托起等。 发生流土破坏的土又叫流土型土，这种破坏形式在粘性土和无粘性土中均可以发 生。发生流土破坏的土体，其中的土颗粒之间都是相互紧密结合的，相互之间具 有较强的约束力，可以承受的水头较大。但是，流土破坏的危害性却是最大的。 因为，流土破坏一旦发生，它是土体的整体破坏，流土通道会迅速向上游或横向 延伸，一旦抢险不及时或措施不得当，就有造成土体结构破坏，引发溃堤灾难发 生的危险。 天津大学硕士学位论文第二章管涌抢护的基本原则和方法 管涌，在渗透力的作用下，土体中的细颗粒( 填料颗粒) 沿着土体骨架颗粒间 的孔道移动或被带出土体，这种现象叫管涌。发生管涌破坏的土又叫管涌型土， 管涌的发生表明土体内有一部分细颗粒没有紧密接触，甚至是处于自由状态，粗 颗粒无法制约细颗粒，所以抗渗强度低。它通常发生在砂砾石地层中。 图1 2 堤坝管涌破坏示意图 接触流失，在渗透系数相差很大的两层土中，当渗流垂直于接触面运动时， 将细粒层中的细颗粒带入粗粒层的现象称为接触流失。表现形式可能是单个颗粒 进入相邻层，也可能是颗粒群的同时进入，所以包括接触管涌和接触流土两种形 式。 接触冲刷，渗流沿着两种不同粒径介质的接触面流动并带走细颗粒的现象称 为接触冲刷。例如，穿堤建筑物与堤身的结合面，土坝与涵管的接触面和裂缝的 渗透破坏等【s 】。 其中，管涌型土和流土型土的区别并不是绝对的。当管涌型土发生管涌破坏， 管涌通道贯通上游后，若渗流坡降继续增大，管涌型土也会发生流土破坏。 2 1 2 “管涌 型土的判别 何种类型的土易于发生管涌，即土体内部不稳定，一直是大家所关心的。 许多学者根据不同的理论基础和试验数据提出了多种判定土体内部稳定性 的方法。现分述如下： 1 k e z d i 基于反滤层设计理论的判别法 1 9 6 9 年，k e z d i 提出的判别土体内部稳定性的方法是基于t e r z a g h i 和 p e c k ( 1 9 4 8 ) 的反滤层设计理论的，即 垃 盐( 2 1 ) d 8 5 占q 5 口 式中：f 对应于反滤层； 天津大学硕士学位论文第二章管涌抢护的基本原则和方法 b - 对应于基土( b a s es o i l ) ，下同。 从任一粒径d 处，把颗粒分为两组，粗颗粒视为反滤层，细颗粒视为基土， 若不等式( 2 1 ) 始终成立，则细颗粒不会外移，为稳定级配土；否则土体是内部 不稳定的，有可能发生管涌【9 】。 2 i s t o r n i n a 的不均匀系数判别法 1 9 5 7 年，i s t o r n i n a 在大量试验的基础上，经过分析提出在自下而上的渗流 n 土体的渗流破坏形式主要取决于不均匀系数e ( = 警) ( 见k o v a c s1 9 8 1 ；陶同康 q o 1 9 9 0 ) ：当c l ，l o 时，不会发生管涌，将发生流土；当l o 1 0 的土，由于不均匀系数仅仅是反映土颗粒组成离散程度的一个参数，还 不能完全反映土的渗透特性，因而还不够准确。 3 土体孔隙直径与细粒粒径对比法 k o v a c s ( 1 9 8 1 ) 认为，细小颗粒能否外移，即管涌能否发生，最简单的是看 孔隙直径d 与最小粒径珑。谁大谁小。按照他采用的描写孔径的变截面直毛细管 物理模型，根据土体的物理参数( 有效粒径d 、颗粒的形状系数口、孔隙率n ) ， 首先确定毛细管的平均直径氏、最大直径以和最小直径盔。吐d 栅意味着较 小颗粒可以移动，直到达到一个细小孔隙。而d ：k 成立却意味着任何颗粒不 得移动。由于在运动过程中细小颗粒可以在孔隙中形成拱，所以破对于颗 粒不得移动是太严格了。因此，在实践中一般采用码d m 。 巴特拉学夫研究表明( 引自陶同康1 9 9 9 ) ，若土体的细颗粒直径d 与土体平均 孔隙直径以之比满足 旦1 8 ( 2 2 ) d 式中：反一表示土体平均孔隙直径，m m ； d 表示土体的细颗粒直径，m m 。 则该土体的渗透破坏将是非管涌型，否则将是管涌型。 4 土体细粒含量判别法 随着实验研究的不断深入，人们对影响土体渗透性和渗透变形因素的研究， 不仅仅局限于土的不均匀系数，还有土体的细粒含量这一主要因素。 中国水利水电研究院刘杰( 1 9 6 3 ，1 9 9 2 ) 根据细粒( 填料颗粒) 的体积等于粗料 ( 骨架颗粒) 孔隙体积的原则得到最优细粒含量如， n = 上业l( 2 3 ) 印( 1 一，7 2 ) 岛2 + 岛l 天津大学硕士学位论文第二章管涌抢护的基本原则和方法 式中： 砀、班分别为单位土体细料和粗料孔隙率； 岛。、岛：一分别为细料的干密度和粗料的土粒密度，g c m 3 。 根据国标水利水电工程地质勘察规范( g b 5 0 2 8 7 9 9 ) 给出了根据土的细粒含 量以来判别是可能发生流土还是发生管涌的判据，即当p c 瓦f 1 面l o o m ，发 生流土：否则发生管涌。这里n 为孔隙率。 1 9 7 7 年，南京水利科学研究院沙金煊( 参见陶同康1 9 9 9 ) 根据填料充满骨架孔 隙时发生流土这一概念，得到 r 阢： ( 2 4 ) 2 了= u 。斗， l + 吖n 式中：p 。一表示最优细粒含量，； r l 表示土颗粒的孔隙度， 这里，以2 衄粒径来区分骨架和填料。若实有细粒含量小于最优细粒含量的 0 9 5 倍，则为管涌；否则为流土【1 0 】。 2 1 3 管涌发生的水力条件 管涌临界水力梯度的理论的研究至今尚不成熟，其原因是发生管涌的渗流机 理还没有在理论上取得突破，并且试验也很难测准。管涌的临界水力梯度值标志 着土体中的细颗粒开始流失，表明建筑物或地基某处出现薄弱环节。目前，国内 外关于管涌的研究大都是从研究渗流破坏的角度出发，对渗流破坏的研究又主要 集中在对临界渗透破坏条件的判别上。 1 总水头分析方法 b u c k l e y ( 1 9 0 5 ) 认为围堰是否发生管涌破坏只与渗流路径的长度有关，提出 了蠕变系数的概念，并且首先提出了总梯度方法。总水头梯度定义为每单位长度 的水头损失。蠕变系数的倒数就是总水头梯度。 b l i g h ( 1 9 1 0 ) 基于大量的管涌破坏的现场研究，提出了抵抗管涌破坏临界水 力梯度的经验公式。并根据地基土的类型不同，给出了经验值。 l a n e ( 1 9 3 5 ) 考虑了流线的垂直运动和孔隙介质的各向异性，发展了b u c k l e y 和b 1i g h 的计算模型，分析了2 0 0 多个构造物，建立了经验公式确定蠕变系数，并 给出了经验值。 c h u g a e v ( 1 9 5 8 ) 在以前研究的基础上，通过对1 7 0 多座构造物的研究，提出了 建造在可渗透地基上的混凝土坝的临界总水头的经验值【1 。 总水头法中的临界总水头梯度是从大量的对构造物的统计分析中确定的。每 个分析的构造物只是统计样本中的一个，不可能包含所有的可能破坏模式和不利 天津大学硕士学位论文第二章管涌抢护的基本原则和方法 的土层条件。发生的破坏可能是沿着土体条件突变的地方，不一定能够反映整体 的情况。可能发生比较集中的渗流，而不是由统计而得来的“平均的渗流 。除 非进行定点调查或是在建造的时候采取措施，否则使用平均渗流的方法不可能预 报由于集中渗流对构造物可能造成的破坏。基于总水头设计方法由于其经验性可 能造成错误的结论。 2 临界水力梯度分析方法 t e r z a g h i ( 1 9 2 2 ) 基于土体中垂向力的平衡的分析，提出了著名的公式计算临 界水力梯度i c 。但是直至u 1 9 2 9 年这个公式才在一次英语会议上得到认同【l2 。 t e r z a g h i ( 1 9 2 2 ) ( 1 9 2 9 ) 和n a k a j i m a ( 1 9 6 8 ) 通过室内试验验证了这个公式的 正确性。 k h o s l a ，e t a 1 ( 1 9 3 6 ) 提出了在约束流中各种不同边界条件下临界水力梯度 的确定方法。 c a s a g r a n d e ( 1 9 3 7 ) 描述过与渗流有关的内部侵蚀引起的土质岸堤失稳，并且 给出了根据流网计算临界水力梯度的公式。 d a v i d e n k o f f ( 1 9 7 0 ) 提出将隔水物底部的测压管水头值除以隔水物插入土层 的深度来计算临界水头。 k h i l a r ( 1 9 8 5 ) 建立了粘土地基上的土制堤坝管涌和堵塞的毛细管数学模型， 描述粘粒在土的孔隙中的沉积和扩散的过程，来估算临界水力梯度。对于粘土， k h i l a r ( 1 9 8 5 ) 建议i 取4 0 作为土制建筑物中发生渗流的合理上限。这个值也是 s h e r a r dj l ( 1 9 7 6 ) 做的针孔试验得到的最大值。 s e l l m e i j e r ( 1 9 9 1 ) 应用建筑物下方潜流区的解析和数值的方法，认为管涌在 堤坝下面发展形成管状通道以后达到稳定平衡，管涌不再继续发展。运用d a r c y 渗流理论，考虑在砂沸和管状通道的力的极限平衡分析，分别给出了砂沸段和管 涌通道内的临界水力梯度的计算公式。此后，w e i j e r s 和s e l l m e i j e r ( 1 9 9 3 ) 进行 了一些修改，提出了公式计算临界水力梯度。o j h a ( 2 0 0 3 ) 对s e l l m e i j e r ( 1 9 9 1 ) 提出的公式进行了研究，发现对于给定相同的c 值，两个公式计算的结果相差很 大，只有在0 o l h ，则由于存在 水头差，土中将产生向上的渗流。水头差劬是渗流穿过三长土体时所损失的能 量。能量损失，说明土粒对水流给以阻力；反之，渗流必然对每个土颗粒有推动、 摩擦和拖拽的作用力，如图2 - 4 所示。为了计算的方便，称每单位土体内土颗粒 所受的