（岩土工程专业论文）悬挂式防渗墙防渗效果的模拟试验研究.pdf

摘要 渗透破坏是江河大堤在汛期的常见险情之一。在病险堤坝的处治过程中，形成了一 些比较成熟的治理技术，积累了丰富的经验。垂直防渗技术已广泛用于堤坝的除险加固， 是病险堤坝的主要防渗加固措施。防渗墙是垂直防渗技术中的一种，按其结构型式可以 分为三类：封闭式、半封闭式和悬挂式。 长江中下游地区堤防防渗现状研究成果表明，长江中下游堤基大多为二元结构且多 为深厚的软弱土，缺乏可靠的防渗措施。长江中下游堤防虽经历代帮宽加高，仍存在着 堤身土质杂乱、压实度小、填筑质量差、防洪标准低、堤基严重渗漏、岸坡冲刷、人类 活动及生物破坏严重、穿堤建筑物年久失修且严重老化、堤防长期持续沉降等隐患。 本文结合长江中下游堤防堤基的特点，制作了渗流槽来模拟二元结构堤基的渗流特 点，进行了系统的室内试验，讨论了悬挂式防渗墙在阻滞二元结构堤基土发生渗透破坏 中的作用。 试验用土取自长江堤防南京段长江南岸，上层为粉质粘土，下层为粉土。试验用土 与现场土是一样的，这样试验过程和堤基发生渗透破坏的水力要素是一致的。对粉土和 粉质粘土进行了以下试验：比重、颗粒分析、液塑限、渗透系数。试验结果表明，粉土 缺乏中间粒径，颗粒级配不良，易于发生渗透变形。粉土的渗透系数与粉质粘土的渗透 系数相差2 0 倍，在汛期高水位作用下，在粉质粘土层的底部容易形成较大的水头压力， 从而导致险情的发生，因此有必要采取有效措施来阻滞险情的发生与发展。 根据长江堤防堤基土的特点，制作了渗流槽模型，渗流槽用有机玻璃制成，其尺寸 为：长2 米，高l 米，宽1 0 厘米。将粉土和粉质粘土装入模型槽，模拟二元结构堤基土 发生渗透变形的特点以及研究悬挂式防渗墙在阻滞堤基土发生渗透变形中的作用。模拟 试验通过改变粉质粘土组成的悬挂式防渗墙的入土深度来模拟实际渗出比降情况。由于 土的级配、干密度等与现场土的相同，临界水力梯度和抗渗效果等与现场一致。 室内试验过程中，分别进行了没有悬挂式防渗墙，不同防渗墙深度时堤基土的渗流 变形特性试验。对于上部为粉质粘土，下部为粉土的二元结构堤基，发生渗透变形时首 先在粉土层的薄弱部位发生涌砂，接着在粉质粘土层与粉土层的结合层面发生接触冲刷， 在水位持续升高，超过了i 临界水位后，渗透通道从下游向上游发展而贯通，即发生渗透 破坏。同时，研究发现在悬挂式防渗墙作用下，堤基土发生渗透破坏的条件有明显改善， 表现在渗透破坏时的作用水头有较大的增长，临界表观水力梯度有明显提高，渗流量显 著减小，以及孔隙水压力的变化。研究结果表明，悬挂式防渗墙可以有效控制渗透破坏 的发生条件，而且施工相对容易，也比较经济合理，可以在工程中推广应用。 关键词：长江堤防，二元结构堤基，悬挂式防渗墙，渗流槽，渗透破坏，室内试验 a b s t r a c t s e e p a g ef a i l u r ei so n eo ft h eh i g hf r e q u e n td i s a s t e r sf o rd i k ee n g i n e e r i n gd u r i n gf l o o d s e a s o n a tp r e s e n t , an u m b e ro f f l o ev e r t i c a lc u to f f t e c h n i q u e sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nl e v e e p r o j e c t ，a n dm a n yr i c he x r 丽e n c e sh a v eb e e na c c u m u l a t e di nt h et r e a t m e n to fd i s e a s e dl e v e e p r o j e c t 耽ev e r t i c a ls e e p a g ec o n t r o l l i n gt e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l yu s e di nl e v e ep r o j e c t a n di t i st h em a i nr e i n f o r c i n gm e t h o d sf o rs e e p a g ep r e v e n t i n g 1 1 1 es e e p a g e c o n t r o l l i n gw a l li so n e o f t h et e c h n i q u e so fv e r t i c a ls e e p a g ec o n t r o l l i n gm e t h o d , a n di tc a nb ed i v i d e di n t ot h r e et y p e s ： c l o s e ds e e p a g ec o n t r o l l i n gw a i l ，s e m i - c l o s e ds e e p a g ec o n t r o l l i n gw a l la n ds u s p e n d e ds e e p a g e c o n t r o l l i n gw a i l t h er e s e a r c ho fs e e p a g ep r e v e n t i n gi n d i c a t e st h a tt h ef o u n d a t i o no ft h em i d d l ea n dl o w e l r e a c h e so f y a n g t z er i v ei sm o s t l yc o m p o s e do f d u a ls u b s o i ll a y e r sw h i c hi so f f e i ls o f tc l a ya n d l a c k sr e l i a b l em e t h o d st op r e v e n ts e e p a g e t h em i d d l ea n dl o w e rr e a c h e so fy a n g t z er i v eh a s b e e nw i d e na n dr e i n f o r c e d ，b u tt h e r ea r es t i l ls o m eh i d d e nt r o u b l e s ，f o re x a m p l e , d i s o r d e r e m b a n k m e n ts o i l ，s m a l ld e g r e eo fc o m p a c t i o n ，l o w e rc o n s t r u c t i o nq u a l i t y , l o w e rc r i t e r i o no f c o n t r o l l i n gf l o o d ，s e r i o u sl e a k a g eo fd i k ef o u n d a t i o n ，s e v e re r o d i n go fe m b a n k m e n ts l o p e , b a d l yd e s t r o y e db yt h eh u m a nb e i n g , d e m o l i s h i n ga n da g i n go ft h eb u i l d i n g st h a ta c r o s st h e e m b a n k m e n t , l o n g t i m ea n dc o n t i n u o u ss e t t l e m e n ta n ds oo n o nt h eb a s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em i d d l ea n dl o w e rr e a c h e so fy a n g t z er i v e , a s e e d a g es a n d b o xh a sb e e nm a d et os i m u l a t et h es p e c i a l t yo ft h ed u a ls u b s o i ll a y e r s t h et e s t s h a v e b e e nd o n ei n d o o r sa n dt h ef u n c t i o n so fs u s p e n d e ds e c d a g ec o n t r o l l i n gw a l li np r e v e n t i n g s e e d a g ef a i l u r eh a v eb e e nd i s c u s s e d t h ef o l l o w i n ga r e t h em a i nc o n t e n t s t h es o i lt h a ti su s e di nt h et e s ti sf r o mt h es o u t hb a n ko f n a n k i n gd i k eo f y a n g t z er i v e t h eu p p e rl a y e ri sc o m p o s e do fs i i tc l a ya n dt h eu n d e rl a y e ri sc o m p o s e do fs i i t 1 1 1 es o i li s s a m et ot h a to ft h el o c a is p o t s ot h eh y d r a u l i cf a c t o r so fs e e p a g ef a i l u r ei sa l s ot h es a r l l e t h e t e s t so ft h et w ok i n d so fs o i lh a v eb e e nc a r r i e do u tw h i c ha r es p e c i f i cg r a v i t y , c o e 伍c i e n to f p e r m e a b i l i t y , p a r t i c l es i z ea n a l y s i s 1 i q u i dl i m i ta n dp l a s t i cl i m i t t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e s i l tl a c k sm i d d l ep a r t i c l e sa n dt h ep a r t i c l es i z ei ss y m m e t r i c a lw h i c hc a ne a s i l yl e a d st os e e p a g e d e f o r m a t i o n t h eh y d r a u l i cc o n d u c t i b i l i t yo fs i l ti s2 0t i m e st h a to ft h es i i tc l a y u n d e rt h e f u n c t i o no fh i g hw a t e rl e v e ld u r i n gf l o o ds e a s o n , g r e a th y d r a u l i cp r e s s u r ec a l lb ee a s i l y p r o d u c e du n d e rt h eb o t t o mo ft h es i l tc l a yl a y e rw h i c hc a nc a u s es o m ed i s a s t e r st oh a p p e n s o s o m ee f f e c t i v em e a s n r e sm u s tb et a k e nt op r e v e n td a n g e r s b a s e do nt h ef o u n d a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f y a n g t z er i v ee m b a n k m e n t , as e e p a g es a n d b o x h a sb e e nm a n u f a c t u r e dw h i c hi sm a d eo f p l e x i g i a s s i ti s2m e t e r sl o n g , lm e t e rh i g h , a n d1 0 c e n t i m e t e r sw i d c s i l td a ya n ds i i ta r ep u ti n t ot h es a n d b o x i tc a nb eu s e dt oa n a l y z et h e c h a r a c t e r i s t i c so f s e e p a g ef a i l u r ea n dt h ef u n c t i o no f s u s p e n d e d s e e p a g ec o n t r o l l i n g w a l lw h i c h i su s e dt op r e v e n ts e e p a g ef a i l u r e t h ea c t u a lh y d r a u l i cg r a d i e n ti ss i m u l a t e db yc h a n g i n gt h e d e e p n e s so ft h es u s p e n d e ds e e p a g ec o n t r o l l i n gw a l lw h i c hi sc o m p o s e do fs i l tc l a y t h e m e c h a n i c a lc o m p o s i t i o na n dd r yd e n s i t yo ft h es o i la r es a m et ot h a to ft h el o c a ls p o t , s ot h e c r i t i c a lh y d r a u l i cg r a d i e n ta n dt h ee f f e c to f p r e v e n t i n gs e e p a g ea r ec o n s i s t e n tw i t ht h a to f l o c a l s p o t d u r i n gt h et i m eo ft h et e s t si n d o o r s ，t h et e s t sw h i c hh a v ed i f f e r e n td e p t h so fs u s p e n d e d s e e d a g ec o n t r o l l i n gw a i lh a v eb e e nd o n e f o rt h ed u a ls u b s o i lf o u n d a t i o nw h i c ha r ec o m p o s e d i i o fs i i te l a yu p s i d ea n ds i l ts u b s i d e , s a n ds p r i n go c o l r 8a tt h ef e e b l es p o t s t h f i l lc o n t a c te r o s i o n o c c u r sa tt h ef a c et h a ts i l tc l a ya n ds i i ti n t e g r a t e w h 锄t h ew a t f i t l e v e lr i s e sc o n t i n u o u s l ya n d e 】【c e c d st h ec r i t i c a lw a t e l l e v e l t h es e e p a g ec h a n n e ld e v e l o p sf r o md o w n s t r e a mt ou p s t r e a m , a n dm 璐t h r o u g ht h ew h o l es o i l a tt h i st i m e t h es e e p a g ef a i l u r eo c c u 塔r e s e a r c hi n d i c a t e s t h a tu n d e rt h ef i m e t i o no fs u s p e n d e ds e e p a g ec o n t r o l l i n gw a l l ，t h eq u a l i f i c a t i o no fs e e p a g e f a i l u r eh a sb e e ni m p r o v e d ，f o re x a m p l e ，t h ew a t e rl e v e lr i s e sg r e a t l y , e r i t i c a la p p a r e n th y d r a u l i c g r a d i e n ti n c r e a s e so b v i o u s l y , t h es e e p a g eq u a n t i t yr e d u c e sd i s t i n c t l ya n dt h ep o r e - w a t e r p r e s s u r ec h a n g e se v i d e n t l y t h er e s u l t so ft h er e s 戗u c ha r et h a tt h es u s p e n d e ds e e d a g e c o n t r o l l i n gw a l lc a ne f f e c t i v e l yb l o c kt h es e e p a g ef a i l u r e a t 也es a n l et i m e , i ti sc o n s l l m c t e d e a s i l ya n da c c e p t a b l ei ne c o n o m y , s oi ti sw o r t ha p p l y i n gi np r o j e c t k e yw o r d s ：e m b a n k m e n to f y a n g t z er i v e r , d u a ls u b s o i ll a y e r s ，s u s p e n d e ds e e p a g ec o n t r o l l i n g w a l l ，s e e p a g es a n d b o x ，s e e p a g ef a i l u r e , t e s t si n d o o r s i l i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。也不包含为获得河海大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同学对 本研究所做的任何贡献均已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：】兹i 咝签字日期：2 0 0 7 生l e6 月，户日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，并可以采用影印、缩印或扫描等其它复制手段保存论文。本人学位 论文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 学位论文作者签名：筮回望 签字日期：2 0 0 7 年6 月伊日 河海人学硕士论文 1 1 堤坝防渗加固综述 1 1 1 我国堤坝防渗加固现状 第一章绪论 中国的主要经济发达地区位于典型的季风气候区，集中在易发暴雨洪水的七大江河流 域的中下游，占中国人口的1 2 ，面积的1 3 ，i 农业产值的2 3 。人口、经济集中，每次 大的洪水都给人民的生命财产造成重大的损失。1 9 4 9 年新中国建国以来，为除害兴利，全 国人民付出了巨大的投入，兴修水利也获得了巨大的成绩。由于受历史条件和生产力发展 水平的限制，大部分堤防大坝都存在着先天不足，后期老化问题，如填土疏松，抗渗能力 低；地基较普遍的未进行认真处理，在河道中下游冲积平原地区的不同深度都存在着较强 的透水层，易产生管涌、冒沙等渗透破坏；一些老的堤坝，存有生物洞穴、腐朽树根和渗 流侵蚀等隐患t “。 据土坝失事资料分析，由于防洪标准低，出现超标准洪水垮坝的占5 1 5 ；由于设计 不合理、施工质量差垮坝的占3 8 5 ，其表现为坝体裂缝，出现渗透破坏，坝体滑坡，坝 基渗透管涌等。从我国2 4 1 座大型水库曾发生的1 0 0 0 次工程事故分析：大坝裂缝占2 5 3 ， 裂缝管涌占3 1 7 ，两者共占5 7 t “。 1 9 9 8 年长江流域大水，除个别江堤决口外，沿江发生管涌冒沙等险情9 4 0 5 处，其中 因渗漏问题出险的7 5 4 8 处，出现了险情丛生的紧张局面，见表l - l 。长江两岸广泛分布着 二元结构地层。在此条件下，上部弱透水层渗透性越小，下部透水砂层的渗透水压力愈大， 管涌就越容易发生，且在距堤脚外数百米范围内都可能发生【2 1 。堤基管涌多表现为翻砂冒 水、泡泉、土层隆起、大面积砂沸等。堤基管涌不仅出现频率高，而且危险性大，尤其是 堤脚附近的管涌更易发展为灾难性后果，1 9 9 8 年长江中下游堤防的7 处溃口，因堤基管涌 而溃决的就有5 处。堤防历史越长，隐患越多，主要是：土质杂乱不均，填筑质量差( 压 实不匀) ，生物洞穴、人类活动残迹等。在汛期较高水位作用下将会不同程度地出现散浸、 脱坡、跌窝、漏洞等渗透险情，对大堤安全构成威胁。 黄河下游自1 9 4 9 年以来，历年大洪水期，堤基( 不包括堤身渗水) 发生渗水的堤段共有 2 9 0 处，河南省5 2 处，山东省2 3 8 处，其中左岸1 7 5 处，右岸1 1 5 处，其中属严重渗水的有 1 1 2 处，发生过渗透变形的堤段有1 1 4 处。从上述资料可知，黄河下游l 临黄堤防在历史上 大洪水期发生渗水、严重渗水及渗透变形的堤段是不少的，问题也是严重的。其中1 0 9 处 堤段的堤基分布有老口门，占全部渗水堤段的3 7 。发生渗水及渗透变形的时间多在1 9 5 4 年及1 9 5 8 年大洪水时期，经过多年来对大堤进行加固处理，洪水期发生渗水及渗透变形 的堤段逐渐减少，但是在1 9 7 6 年及1 9 8 2 年大洪水期，有些原来并不渗水的堤段如山东省 济阳县的邢家渡及天兴庄等堤段却发生了渗水问题。据1 9 9 3 年对黄河大堤险点、险段统 计，包括老口门、管涌、渗水、裂缝、堤身残缺、堤身缺口、顺堤行洪7 项共2 8 处险点， l 第一章绪论 其中渗水1 3 处占险点总数的4 6 ；经检查，l 临黄大堤堤身浸润线在背河堤坡出逸的堤段 占堤线总长的3 5 ，这说明渗透变形问题是黄河堤防的首要问题f 3 】。几次大洪水黄河堤防 及近堤险情统计见表1 - 2 。 我国的水库大坝、江河大堤绝大部分为土坝、土堤，这些工程多数是中华人民共和国 成立以后各个历史时期兴建的，有些工程除了防洪标准低外，出现的主要问题是土坝的变 形稳定和渗透稳定得不到保证，这是影响水利枢纽工程安全运行的主要因素。 表1 - 1 1 9 9 8 年长江中、下游堤防工程汛期险情统计( 引白【2 】) 表1 - 2几次大洪水黄河堤防及近堤险情统计表( 引白 4 ) 1 1 2 我国堤防的主要特点 我国现有各类堤防2 5 万k m ，其中主要堤防6 5 7 万k m ，长江共有各类堤防3 4 0 0 0 k i n ， 其中长江干堤为3 6 0 0 k m ，黄河堤防( 盂津以下) 为1 4 0 0 k m 。中国的堤防是历代逐渐形成的， 黄河堤防始建于公元前5 0 0 多年，距今近2 5 0 0 多年；长江荆江大堤始建于公元3 0 0 多年， 距今有1 6 0 0 多年的历史；浙江海堤始建于1 1 5 3 年，距今有8 5 0 多年。这些现有的堤防是 几千年来中华民族历代人民与洪水斗争的见证，正是由于现有堤防是历史上经过多次修 建、破坏、再修复加固而逐渐形成的，因此堤防的质量存在不少隐患，- - n 汛期险象环生。 同时，在堤防的规划、堤线的衣置等方面，由于环境和经济条件的变化，也都有许多不合 理之处，这些都需要完善和改进 5 1 。 从上所述不难想象，中国堤防必然存在一些自身的特点，主要有： 2 河海大学硕十论文 ( 1 ) 堤防未达到规范要求的标准。我国新颁布的堤防工程设计规范( g b 5 0 2 8 6 9 8 ) 中规定，对l 级堤防工程应采用1 0 0 年一遇，2 级采用5 0 - , - 1 0 0 年一遇的防洪标准。黄河下 游大堤为6 0 年一遇，淮北大堤为4 0 年一遇，仅有2 0 的城市防洪体系达5 0 - - 1 0 0 年一遇。 ( 2 ) 堤基防渗能力差。堤基大多为渗透稳定性不良的“二元结构”地层，地基上部为相 对不透水层，以下为较厚的透水性土层，中间还可能有夹层或透镜体。堤基中薄弱环节的 存在，就要求采取必要的防渗措施，然而现有的这方面措施很不完善，而且许多堤防未做 基础处理。 ( 3 ) 堤身质量差。不少堤防是在原民垸的基础上历年加高培厚而成，受风雨淋蚀、生物 作用等影响，使堤身质量更差，堤内裂缝、空洞及易腐物质的存在相当普遍。 “) 堤后坑塘多。许多建堤的填土取自堤后，形成坑塘，同时由于堤防多次溃口，形成 堤后冲坑、渊塘，使堤后坑塘密布，覆盖薄弱，当遇洪水时堤防经常发生管涌、滑坡、崩 岸等险情。 ( 5 ) 不少河流河势变化剧烈，堤防往往傍河而建，或者河滩被冲蚀，造成堤防迎流顶冲 的局面，不断形成新的险工或者导致老险工移位，影响大堤安全，为此应修建护岸和控导 工程。 ( 6 ) 人类活动及生物破坏严重。先辈们一般沿堤而居，生产生活与大堤朝夕为伴。堤身 内有时存在生活起居的残墙断壁，碎石矿渣，生活垃圾，堤基内还经常埋有建筑垃圾，降 低了堤基的整体性和厚度，这些都会在堤身堤基内形成较大的渗透性区域。 白蚁、蛇、鼠等动物的活动也对堤防安全带来极大危害，其中尤以白蚁危害为最。白 蚁繁殖力强，复发率高，且较难灭绝，至今仍难以完全消除。 ( 7 ) 穿堤建筑物年久失修。为了灌溉引水、防洪等目的的需要，堤防上建有大量的涵闸、 泵站等建筑物，这些建筑物建筑时间早，设计标准低，运行时间长，工程严重老化，易引 发裂缝和集中渗流等险情，造成裂缝漏水和接触冲刷甚至出现溃口性重大险情。 ( 8 ) 堤身严重干缩、冻胀裂缝。一些河道受来水量减少的影响，堤身长期不挡水，产生 干缩裂缝，一旦洪水到来，极易产生渗水、脱坡，对堤防的威胁很大。一些北方河流由于 受季节的影响堤身就容易出现这种裂缝。 堤防作为国民经济的重要基础设施，加强对堤防的建设和已有堤防的维护是一项关乎 国民生计的大事。首先利用现代先进技术进行堤防隐患探测和安全评价，找出存在的问题， 然后采取经济合理的工程措施，进行险点消除，提高堤防的防洪减灾能力，防止堤防溃堤 引起洪涝灾害，这是我国的一项长期而艰巨的任务，对于维护社会稳定、经济可持续发展 具有重要意义。 1 1 3 堤防工程存在的主要问题 ( 1 ) 堤身渗透破坏的成因和分类 堤身的渗透破坏包括三种类型：渗水( 散浸) 造成的堤坡冲刷、漏洞和集中渗流造成 的接触冲刷，分述如下。 第一章绪论 i 堤坡冲刷 堤坡冲刷系由背水堤坡渗水所致。一种是堤坡的出溢比降大于允许比降而产生的渗透 破坏，另一种是渗水集中后造成对坡面的水流冲刷。 应当说，在背水侧地下水位( 或水头) 较高的情况下，当发生持续高水位时堤坡渗水 是必然的。关键是出溢点不应过高，渗流量不应过大，以免造成堤坡的渗透破坏和水流冲 刷，甚至导致滑坡，对这种有害渗水必须采取措施进行除险。造成出溢点过高的主要原因 有：堤身断面宽度不够，堤坡偏陡；堤身( 尤其是后加高的堤身) 透水性强，或填筑 面明显，导致堤身的水平向渗透系数偏大：新老堤身、堤段施工接头处存在薄弱结合面， 如清基不彻底或根本未清基，堤段结合部压实不密实；堤身裂缝并被雨水灌入；堤身 存在其他隐患，如洞穴、冻土块等。 2 堤身漏洞 堤防背水坡及堤脚附近出现贯穿堤身的流水孔洞称为漏水洞。由于漏水洞中的集中水 流对土体的冲刷力很强，因此对堤防的危害性极大。 产生漏洞的主要原因有：堤身质量差，土料含砂量高，有机质多；有生物洞穴或 其他易腐烂的物料；其他隐患，如旧涵洞、坑窖、棺木等。 即使漏洞没有贯穿堤身，也将大大缩短渗径，从而加大了出口渗透比降，增加了渗透 破坏的可能性，同时漏洞中的集中水流还将造成对土体的水流冲刷，使漏洞长度加长，直 径变大，最终贯穿堤身，导致堤防溃决。因此，对堤身漏洞隐患必须进行除险加固。 3 堤身接触冲刷 当堤身发生集中渗流且冲刷力大于土体的渗透强度时，在集中渗流处就会产生接触冲 刷破坏。造成堤身集中渗流的主要原因有：堤身以及穿堤建筑物与堤身间出现横向贯穿 裂缝；新老堤身结合面未清基或清基不彻底：堤防分段建设的结合部填筑密度低等。 由于接触冲刷的发展速度往往较快，因此对堤防的威胁很大，必须对其进行除险加固。 ( 2 ) 堤基渗透破坏的成因和分类 堤基的渗透破坏常表现为泡泉、沙沸、土层隆起、浮动、膨胀、断裂等，通常统称为 管涌。一般来讲，堤防地基的表土层一般很少是砂砾层，因此，堤基的渗透破坏一般均为 土力学中的流土破坏。堤基渗透破坏产生的原因是：随着汛期水位的升高，背水侧堤基的 渗透出溢比降增大，一旦超过堤基的渗透临界比降就会产生渗透破坏。渗透破坏首先在堤 基的薄弱环节出现，如坑塘或表土层较薄的位置。对近似均质的透水堤基，渗透破坏首先 发生在堤脚处。堤基管涌，尤其是近堤脚的管涌，发展速度快，容易形成管涌洞，一旦抢 险不及时或措施不得当，就有溃堤灾难发生的危险。因此，对管涌堤段必须进行除险加固。 另外，如果堤身直接坐落在砂砾石强透水层上，或坐落在强风化的岩基上，则在堤身 与堤基的结合面也可能发生接触冲刷或接触流土破坏【6 l 。 1 i 4 堤坝的渗透破坏型式 堤坝渗漏带来的不仅是经济损失，更重要的是危及堤坝的安全。对堤坝失事的原因进 4 河海大学硕上论文 行分析，堤坝本身的强度和土质结构是内因，水的渗流是外因。长江沿岸堤防基础，总体 看都是二元结构。在不同堤段上部弱透水覆盖层的性状有所差别，当上部弱透水覆盖层较 薄、或其中夹有薄砂层、或砂层出露，都是经常出险的处所【n 。 当渗流产生的实际渗透比降大于临界渗透比降时，土体将产生渗透变形。渗透土质的 差异导致渗透变形的破坏机理、发展过程及破坏程度也不一样。根据渗透破坏的形成机理， 渗透破坏常有下列四种型式：流土、管涌、接触冲刷和接触流土8 1 。 渗透力作用下，土粒发生群体浮动而流失的现象称为流土。流土在粘性土和无粘性土 中均可发生。粘性土发生流土破坏的外观表现为：土体隆起、鼓胀、浮动和断裂等。无粘 性土发生流土破坏的外观表现为：泉眼、砂沸、土体翻滚直至被渗透托起。 渗透力作用下，土体中的细颗粒沿粒间骨架孔隙移动或被带出的现象称为管涌。管涌 通常发生在砂砾层中，可能发生在渗流出逸处，也可能发生在土体内部。由于颗粒移动中 的堵塞作用，管涌发生的过程中可能会产生中断现象。有时发生暂时性中断，然后继续发 展；有时产生永久性中断，即发生自愈。当土中细颗粒填料较少时，细颗粒的带出不会影 响土体的稳定，细颗粒被带完，管涌即告终止。 细颗粒沿着两种不同介质的接触面被渗透水流带走的现象称为接触冲刷。如穿堤建筑 物与堤身结合面和裂缝的渗透破坏。接触冲刷通常发生在堤身和堤基内部，细颗粒自渗流 出逸处带出。接触冲刷的不断发展形成了渗漏通道，引起堤坝溃决。 渗流垂直于两种土层接触面运动，并把一层中的土颗粒带入另一土层中的现象称为接 触流土。接触流土一般发生在颗粒粗细相差较大的两种土层的接触带，如反滤层的机械淤 堵等。 粘性土通常只发生流土、接触冲刷和接触流土等三种破坏型式，不产生管涌破坏。而 无粘性土可能发生上述四种破坏型式【8 】。 1 2 长江中下游堤防防洪形势 长江出三峡以后进入中下游平原区，宜昌至湖口为中游，其中校城至城陵矶河段俗称 荆江；湖口以下为下游，沿江有黄广、同马、无为等大堤保护城市和农田。长江中下游河 道长1 8 9 3 k m ，干流两岸筑有堤防3 6 0 0 k m ，保护平原区面积1 2 6 万k m 2 ，人口7 5 0 0 万人， 耕地6 0 0 多万h m 2 ( 9 0 0 0 多万亩) 。两岸地势低洼，地面普遍低于长江洪水位五六米乃至十 几米，沿江工农业发达区全靠堤防保护。但堤防标准低，且长江洪水峰高量大、中下游河 道安全泄量相对较小，以致洪水威胁频繁。1 9 8 0 年会议决定了长江防洪治理方案：坚持 “蓄泄兼筹，以泄为主”的方针，近期以加高加固堤防和蓄滞洪区建设为主，重点地区达 到防御1 9 5 4 年洪水的目标，提高干流堤防的防洪水位为：沙市4 5 o m ，城陵矾3 4 4 m ，湖 口2 2 5 m ，南京1 0 6 m ，上海6 2 7 m i 即使此方案得以实施，堤防也只有1 0 - 2 0 年一遇的防 洪标准，再遇1 9 5 4 年洪水，运用规划的蓄滞洪区可满足要求。但分洪损失巨大，淹没耕 地约5 4 9 3 万h m 2 ( 8 2 4 万亩) ，需迁移人口5 6 0 万。尽管如此，荆江地区的防洪标准仍然偏 5 第一章绪论 低，可勉强防御枝城洪峰流量8 0 0 0 0 m 3 s ，防洪标准约4 0 年一遇。三峡水库建成后，荆 江地区可达到1 0 0 年一遇洪水不分洪的目标。沿江各重点堤防，其位置见图1 1 ( 引自【9 】) 。 图l - i长江中f 游堤防位置图 洪水严重威胁着中下游平原地区的安全，洪灾平均每l o 年一次。新中国成立后，党 和国家对长江流域的开发和长江中下游的防洪治理十分重视。1 9 7 2 年、1 9 8 0 年水利部两 次召开长江中下游防洪座谈会，研究长江中下游防洪问题。会议肯定了长江中下游防洪治 理的方针，指出堤防仍然是长江中下游防洪的基本措施。 长江洪水峰高量大与中下游河道安全泄量相对较小的矛盾十分突出。由于长江中下游 干流堤防战线长、保护范围广，且各保护区的经济发展与遭受洪灾的损失也不相同，为了 减少损失，遇大洪水时应保证重点地区的防洪安全。长江中下游重点地区是荆北江汉平原 ( 荆江大堤保护区) 、洞庭、鄱阳湖地区的重点圩垸，无为大堤保护区，以及沿江( 河) 长沙、 岳阳、武汉、黄石、南昌、九江、安庆、芜湖、南京、台肥、上海等重点城市。 中华人民共和国成立以来，己分期分批对长江中下游3 0 0 0 0 余公里的干堤和支民堤进 行了全面加高加固，形成了较为完整的防洪体系；规划安排了5 0 0 亿m 3 的蓄滞洪区；兴 建了丹江口、枯溪、拓林等有显著防洪作用的支流水库，使长江中下游地区的防洪能力有 了很大提耐1 。 1 2 1 长江重要堤防渗流状态 渗流状态又称渗流场，它在以下3 个方面直接影响着堤防的安全，即： ( 1 ) 出逸点过高； ( 2 ) 出逸比降过大； r 3 ) 浅层弱透水层承受过大的水头压力。 渗流出逸点过高，堤防在汛期将导致大面积散浸发生，尤其是那些采用了堤防工程 设计规范( g b 5 0 2 8 6 - - 9 8 ) 规定不宜的淤泥或粘粒含量过多的粘土、粉细砂、膨胀土、分 散性土的堤防，汛期产生大面积散浸无法避免并直接影响堤坡稳定。即使是一般粘性土料 的堤身，出逸点过高后，由于防汛期间抢险人员与机械的频繁行驶踩压，往往会使堤身出 6 河海大学硕士论文 现“弹簧土”，带来堤坡变形过大且不均匀，同样也会影响堤身稳定。鉴于长江重要堤防 的堤身、堤基土质不均匀，加上有的地方存在生物洞穴，例如荆南等长江干堤等，连同各 种堤防建筑物可能对地层完整性造成破坏诸因素的涉及，散浸就有可能是集中渗流，甚至 是渗透变形破坏前的征兆。所以，出逸点过高的大面积散浸在汛期千万不可小视。就是对 于均质的、符合规范要求填筑的土堤，因出逸点过高造成险情的历史与现实不容忽视，这 也是设计规范为什么要求对自由面位置必须进行分析计算的缘由。 渗流比降过大，大到超过堤防土体的临界比降后也有可能发生堤身与堤基土层的渗透 变形破坏；长江重要堤防所关注的是堤内坡和地表及坑塘沟渠内渗流出口的比降即渗流出 逸比降值的变化。一般而言，当渗流出逸比降不大于堤防土体的允许比降时就可以认为处 于渗流稳定状态，则可不考虑工程措施；对于用无粘性土填筑的堤身或由其构成的堤基防 止渗透变形的允许比降应以土的临界比降除以安全系数而定。堤防工程设计规范 ( g b 5 0 2 8 6 - - - 9 8 ) 条文说明中明确指出：“通常流土破坏对堤防的危害较大，安全系数取 2 0 ，管涌安全系数的取值小于流土破坏，故取1 5 ”。另外，该规范还强调：对粘性土的允 许比降，则需通过试验来确定。 浅层弱透水层承受过大的水头压力即超过该层底面上覆重量后，将导致堤防土层的隆 起和抬动，这就是堤防抗浮稳定问题。对于长江i 类、i i 类重要堤防，通常将抗浮稳定安 全系数的下限值确定为1 5 。但在实用中，一般不直接选用抗浮稳定安全系数来进行渗控 比选设计计算，而多采用浅层弱透水层底面上覆重量的平均垂向比降w j 1 l l 。 1 2 2 长江中下游堤防存在的主要隐患 堤防工程是防洪体系的主要组成部分，包括土堤、吹填堤、抛石堤、砌石墙( 堤) 、 混凝土墙( 堤) 等。长江中下游地区的堤防工程，大多数修建在深厚的透水层或软土层上， 且大多由人力填筑。因此，长江中下游地区的堤防工程具有堤线长、挡水水头低、汛期防 洪、穿堤建筑物多、堤身材料和结构复杂等特点。由于堤防工程的轴线多系历史形成或由 河势决定，多数经过或位于居民区，所以堤防工程对防渗可靠性的要求较高【1 2 1 。 长江流域堤防防渗工程的规模大，两岸筑有约3 4 0 0 0 k m 的堤防，其中中下游干堤是 我国堤防工程建设的重点。堤身高度一般为8 1 0 m ，最大高度1 5 m ，虽历经数十年的帮宽 加高，仍有5 0 以上堤段的堤顶高度、宽度及堤身坡度未达到规定要求。堤身隐患、堤基 渗漏和河岸崩塌等极大地威胁着堤防工程的安全。 1 2 3 长江中下游堤防的险情特点 通常，将堤身隐患、堤基渗漏和河岸崩塌称作长江中、下游堤防的三大险情。堤身的 险情主要是散浸、漏洞、跌窝和脱坡等；堤基的险情主要表现为流土、接触冲刷等浅层管 涌与深层管涌。 长江中下游堤防堤线长达几千公里，而水头一般在1 0 m 以内，与水利枢纽工程诸如大 7 第一章绪论 库容高坝相比较，挡水受水渗透作用的时间短，季节性强。在保证堤身与堤基渗控效果的 条件下，了解险段地质条件和渗流状态后，采取合适的防渗设计方案处治，才能排除汛期 堤防险情。 长江中下游堤防鉴于有上述堤线长、水头较低及险情三种特点，故堤防防渗性占有特 别重要地位，而堤防的力学强度与抗冲性则退居为次要地位。 ( 1 ) 防洪标准不足及防治措施 长江中下游的堤防防洪标准普遍偏低。即使是少数重点和重要堤防，根据1 9 8 0 年防 洪座谈会所确定的标准，也只能抗御1 0 - - 2 0 年一遇的洪水。而更大量的干堤、支民堤一般 都低于这一标准。 提高防洪标准的一个重要措旌，就是加高加大堤身断面。荆江大堤等重点堤防已经这 样做了，但是如若还要加高堤防已无现实可能。例如，荆江大堤沙市附近，地面高程约为 3 2 m ，现堤顶高程已达4 7 m ，防洪水位4 5 m 。如再提高防洪水位，堤基处理工程量将大为 增加，且难保工程安全。因此，必需采取综合措施，采取经济合理的防渗措施，规划蓄滞 洪区、兴建干支流水库。三峡工程则是提高长江中下游、特别是荆江地区防洪标准的不可 替代的措施。 ( 2 ) 堤身、堤基的渗流险情及防治措施 堤身险情多为堤坡散浸、集中渗漏，也曾有塌坡现象。处理措施为灌浆或翻挖，几个 重点堤防经多年加固，堤身险情已较少出现。 堤基险情较之堤身又要频繁得多，通常出现的就是冒水翻砂，危险性极大的管涌也时 有发生。出险位置大多数在距堤脚l o o m 范围内，但也有远至8 0 0 - 1 0 0 0 m 。造成堤基渗流 险情，除高水头的作用外，还同堤基的地层结构有直接关系长江沿岸堤防基础，总体看 都是二元结构。在不同堤段上部弱透水覆盖层的性状有所差异，当上部弱透水覆盖层厚度 较薄、或其中夹有薄砂层、或砂层出露，都是经常出险的处所。 控制堤基渗流险情的工程措施，目前用得最多的是吹填( 形成盖重层) ；排水沟、井也 较常用，但因排水井的使用年限不长，一些管理部门持有异议；垂直防渗措施，以前除城 市堤防外，用得较少，在1 9 9 8 年大洪水后，这种状况得到了改变，长江中下游各堤段开 始大规模使用；土工合成材料在少数堤段已开始使用，但还很不普遍。 由于长江堤线长，各处基础条件均有自身特点，荆江大堤所总结的“导压兼施、因地 制宜”的原则是值得推广的。 ( 3 ) 崩岸险情及防治措施 长江中下游的部分河段( 尤其是荆江河段) ，由于河势不稳、凹岸的迎流顶冲，河岸崩 塌现象严重。历史上不少堤段都是因为崩岸而后退，目前也有不少堤段崩岸已逼近堤脚， 严重威胁着堤防安全。护岸的措施主要还是抛石，编织袋土枕也己丌始运用。今后的护岸 仍是一项长期的工作。 河海人学硕十论文 1 2 4 堤基土的结构特点及其处理 ( 1 ) 长江堤防堤基土的结构特点 刘川顺掣1 3 1 根据堤基土的透水性状，结合防渗工程的特点，将长