青草沙水库大堤渗流特性研究讲解

1、青草沙水库大堤新建东堤段渗流特性研究摘 要： 关键词：前言青草沙水库位于长兴岛北侧和西侧的中央沙、青草沙以及北小泓、东北小泓等水域范围，由青草沙库区和中央沙库区组成。青草沙水库设计供水规模719万m3/d，水库有效库容4.35亿m3。青草沙水库环库大堤由南堤、西堤、北堤、东堤及长兴岛海塘组成，总长48.41km。根据青草沙水库运行要求，水库的最高蓄水位为7.00m，水库的最低运行水位为-1.50m。库外长江侧三百年一遇高潮位6.38 m，百年一遇高潮位6.09 m，百年一遇低潮位-0.07 m。水库大堤承受双向水头，而水库大堤堤基主要为砂土和粉细沙，渗透性大，易造成水库漏水，同时渗流稳定性差，

2、容易发生渗透变形而导致围堤堤基渗流破坏。堤身采用充填砂土和吹填砂土筑堤，抗渗透变形能力也较弱，因此需对水库大堤各段进行专门渗流稳定分析。但由于水库工程的重要性和地基及堤身土的渗透复杂性，本次在已有相关成果的基础进一步开展水库大堤渗流控制的研究，主要包括现场大堤的渗流观测，以及大堤形成一段时间后堤身及地基土的物理、力学指标和渗流特性的变化分析等，使水库大堤的渗流控制措施即确保大堤安全可靠，又经济合理。3. 勘察目的及主要技术要求（1）在不同部位（如堤基、堤芯、堤外充填砂棱体等）选取适当数量的未扰动土样在渗透仪上进行室内变水头法测定渗透系数，并对试验结果进行统计分析，提出堤身和堤基土的渗流参数；在

3、管涌仪上进行渗透变形试验，测定土层的临界坡降和破坏坡降。（2）进行常规室内土工试验项目，主要包括物理性试验项目（W、G、Wp、Wl、颗粒分析试验累积曲线和分布曲线）和力学性试验项目（压缩试验、直剪快剪、固结系数等）。（3）将本次勘察、试验得到的有关数据与已有勘察报告、试验研究成果中的有关数据逐一作对比分析，并列出其变化值。（4）通过现场抽（注）水试验，检测相关堤身的渗流参数。（5）通过现场试验及常规室内土工试验等，进一步分析各段大堤堤基的渗透破坏型式、渗透临界坡降和破坏坡降，对各段大堤堤基的渗漏、渗透稳定等问题进行评价。已建青草沙水库围堤堤基普遍存在砂质粉土和粉砂地层，渗透性大，是库区的主要透

4、水层，易造成水库漏水；砂土渗流稳定性差，容易发生渗透变形而导致围堤堤基渗流破坏。堤身采用充填砂土和吹填砂土筑堤，抗渗透变形能力也较弱，研究水库运行后土层的渗透性和渗透变形特性是否有所变化关系到采用合适的渗流控制措施来解决水库渗漏和渗流稳定的问题。本工程环库大堤堤基普遍存在砂质粉土和粉砂地层，该层渗透性大，是库区的主要透水层，抗渗透变形能力弱，为围堤堤基薄弱环节，在库内外水头差作用下，堤基存在渗透变形和水库渗漏问题，应采取相应的防渗措施；新建围堤堤身也是采用吹填库区浅层砂土筑成，易产生渗透变形破坏，围堤堤身也应采取相应的防渗措施。对其渗流稳定和相应的渗控措施要进行针对性分析。 5. 勘察工作量的

5、布置和实际完成的工作量根据设计方提供的地质勘察任务书和青草沙水库围堤防渗专题研究，本着与原防渗孔中渗透变形试验相对比分析的原则，按上述规范进行布置本次施工勘察工作量。（2）青草沙库区新建大堤段：北堤（桩号10+46629+424）、东堤（29+42432+454），长21988m范围内布置9个勘察断面。每个勘察断面中布置2个取土标贯孔，分别布置于外侧棱体（5.50m平台）、堤顶中心线处，共计18个勘探孔。中央沙控制断面1和4，青草沙控制断面1、3、5、7、9，长兴岛断面1、3和5，结合水库围堤沉降复核需要，勘探孔深度取40m。其余勘探孔深度取22m左右，以穿透表层沙土层，进入下卧不透水层1m为

6、原则。防渗试验工程段试验孔深度取35m。另在大堤上三个区段每个区段各布置了一个静力触探孔，在中央沙区段外侧棱体处也布置了3个静力触探孔，孔深40m。因本场地堤身、堤基土层以粉砂、粉性土为主，属弱透水微透水层，适宜采用钻孔降水头注水试验求其现场渗透性，故在大堤上20个断面中每个断面布置一个注水试验孔；在中央沙，北堤，东堤，长兴岛加高加固每个段中部布置2个注水试验孔； 二. 拟建场地工程地质条件 1. 拟建场地位置及地形、地貌青草沙水库地处长江口三角洲的前缘地带，水域地貌类型属河口三角洲。2. 地基土层的构成与特征本次详勘范围较长（约48km），涉及40.40m深度范围内的地层第层以上地层各区段均

7、有差异，第层及其以下土层分布较稳定。拟建场地全新统土层厚度较大。按其岩性、地质时代、成因类型的差异，可分为4个工程地质层，其中第层、第层、第层等土层又可依据土层物理力学性质的差异分为若干个亚层。拟建场地沿线的地层分布具有如下特点：第0层灰黄色吹填土：该层主要分布于大堤及部分外侧平台处，吹填土以粉砂或砂质粉土为主，无结构，状态松散。其中中央沙西堤，青草沙北堤、东堤平台处该层为袋装吹填砂。 第1-1层素填土：仅分布于老海塘区域。第3-1层粉性土混粘性土，以粉性土为主，混夹有较多不规则流塑状的淤泥质粘性土。该层土无结构，在平面上和深度方向上均呈现不均匀性，且随沉积环境（水流、季节等）的变化而随机变化

8、。第3-2层砂质粉土，沉积于3-1层之下或江底表部，局部以粉砂为主，土质不均，无结构。第3-3层新近沉积土（江滩土），以淤泥质粉质粘土为主，夹粉性土，局部含植物根茎及有机质。第3-1层灰色砂质粉土：含云母屑和贝壳碎屑，夹较多薄层粘性土，呈松散稍密状，中等压缩性。第3-2层灰黄色粉砂：状态稍密，属中等压缩性。土层中夹有较多的薄层状粘性土。第3-3层灰色砂质粉土：夹淤泥质粘性土，呈松散（流塑）状，中等压缩性，局部区段夹粘性土稍多。由于沉积环境的差异而导致沉积土层的土性略有差异，这种差异是以渐变、无规律的方式呈现的，同时也致使厚度与层面标高有较大的变化。成因类型为滨海河口相。第层灰色淤泥质粘土：含大

9、量贝壳碎屑，状态流塑，属高压缩性、高灵敏度的软粘土。成因类型为滨海浅海相。第层土的成因类型为滨海沼泽相。根据成因和工程特性可细分为1-1、1-2。第1-1层灰色粘土：含腐植质及少量贝壳屑，状态流塑软塑（状态好于第层），亦属于高压缩性、高灵敏度的软粘性土。第1-2层灰色粉质粘土：软塑可塑状，夹大量薄层状粉性土（或砂土），含腐植质等。随深度增加而状态渐好，粉性土薄夹层也渐多；属于中压缩性的粘性土。1-2层及其以上的各土层均为全新世(Q4)土层。因原中央沙围堤详勘中的土性与本次勘察中的土性基本相同，为了本次报告的统一考虑，而把原中央沙围堤详勘报告中1-2层砂质粉土夹粘性土归并为3-1层粉性土混粘性土

10、，原2层砂质粉土归并为3-1层砂质粉土，原3层砂质粉土归并为3-3层砂质粉土。该拟建区域各土层分布状况可参见相关的工程地质剖面图（附图4）及相应的柱状图和静力触探测试成果图表。三筑堤前后土层（常规土试）对比与评价筑堤前后每个区段每个断面土层（常规土试）对比表见表3。每个断面土层的渗透系数可参见第四章节。由以上对比表可知，本次勘察土层与2007年详勘期间相比变化不大，基本一致。四围堤堤基和堤身渗透性和渗透变形测试4.3东堤各断面渗透性和渗透变形特性北堤为新建围堤，原滩面较低。各断面土层渗透性和渗透变形特性见表4.3-14.3-2。表层堤身吹填体流土破坏占多数，个别为管涌破坏。水平渗透系数与原砂原

11、样较为一致，垂直渗透系数稍低。袋装充填砂的渗透系数与吹填体相差较小，同为10-3 cm/s量级。堤基各层渗透性质变化较小，与详勘阶段和补充勘探阶段结果较为一致。表4.3-1东堤第一断面土层渗透性和渗透变形特性统计表层号颜色土层名称渗透系数(cm/s)临界渗透坡降垂直渗透坡降破坏形式试样个数水平垂直0灰黄袋装充填砂2.07610-32.40010-30.950 1.050 管涌3 0灰黄吹填砂2.95910-31.36310-30.850 0.950 管涌3 3-2灰色砂质粉土7.39810-46.93710-41.263 1.406 流土2 表4.3-2东堤第二断面土层渗透性和渗透变形特性统计

12、表层号颜色土层名称渗透系数(cm/s)临界渗透坡降垂直渗透坡降破坏形式试样个数水平垂直0灰黄袋装充填砂2.97510-31.17410-30.900 1.000 管涌2 0灰黄吹填砂2.49310-32.60310-31.067 1.200 管涌3 3-2灰色砂质粉土1.13610-31.24010-30.900 1.000 流土1 3-3灰色砂质粉土1.58510-31.47210-30.888 0.983 流土3 4.6现场注水试验2010年对关键断面进行了现场注水试验，分别对堤身吹填砂体和堤基各土层进行了分段注水试验，各注水试验段水头控制为堤顶高程以上70cm，针对本工程土层渗透性按规范

13、采用了降水头注水试验方法。按照各孔和各段现场注水试验资料整理计算各段渗透系数见表4.6所示。现场注水试验成果表明，围堤堤身吹填砂体渗透性大于堤基各土层渗透性，多数在10-410-3cm/s之间。中央沙堤身土与堤基土层与2007年防渗专题补充勘探阶段现场注水试验结果较为一致；新建大堤吹填砂体渗透性与2007年砂原样室内试验成果基本一致，也与中央沙已建围堤渗透性规律较为一致。各区域钻孔降水头注水试验成果统计表 表4.6区 域孔 号土层层号和名称渗透系数(cm/s)渗透系数(cm/s)平均值中央沙10-020吹填土5.9010-46.1310-410-047.8610-410-068.0510-41

14、0-087.7410-410-492.2310-410-502.2610-410-108.5810-410-570袋装吹填砂1.5410-31.5410-310-023-1粉性土混粘性土9.7910-69.7910-610-023-1砂质粉土5.4610-53.0710-410-041.8010-410-061.3310-410-082.0110-410-501.1910-410-491.5210-410-108.1310-510-023-2粉砂7.5010-51.5810-410-042.4010-410-061.5810-410-023-3砂质粉土8.3710-51.2910-410-08

15、2.2010-410-108.2710-510-02淤泥质粘土6.6510-66.6510-6北堤上段10-120吹填土6.3410-45.3010-410-146.4610-410-580袋装吹填砂3.0810-43.0810-410-123-2砂质粉土2.7910-45.3210-410-147.8510-410-123-3砂质粉土1.5710-41.5010-410-141.4310-4北堤中断10-160吹填土4.1410-43.5710-410-186.3210-410-512.2110-410-522.1910-410-202.8010-410-590袋装吹填砂3.7810-43.

16、7810-410-203-1粉性土混粘性土1.5910-41.5910-410-183-2砂质粉土6.8410-44.4610-410-202.0810-410-163-1砂质粉土2.5810-41.6010-410-181.6210-410-511.1110-410-521.1010-410-163-2粉砂1.9810-41.9810-4北堤下段10-220吹填土6.5910-45.4810-410-246.5210-410-600袋装吹填砂3.3210-43.3210-410-243-2砂质粉土5.4010-45.4010-410-243-2粉砂1.7410-41.7410-410-223

17、-3砂质粉土1.3910-41.3910-4东堤10-250吹填土3.3410-43.9310-410-532.2010-410-542.2510-410-258.8710-410-272.9810-410-253-2砂质粉土2.8210-41.5810-410-531.0010-410-549.2910-510-273-3砂质粉土2.0710-41.9810-410-271.8810-4海塘加高加固段10-310吹填土7.7710-47.4010-410-336.8510-410-337.4110-410-388.0110-410-406.3310-410-408.0010-410-291-

18、1素填土8.4710-44.8610-410-552.3010-410-356.1210-410-562.5510-410-293-1粉性土混粘性土1.0010-45.4010-510-357.9110-610-313-3淤泥质粘土2.0910-52.0910-510-313-1砂质粉土1.6410-41.4510-410-331.3610-410-351.9810-310-388.0510-510-401.4610-410-313-2粉砂6.3010-51.2210-410-552.5010-410-359.5010-510-561.1210-410-389.2110-510-293-3砂质

19、粉土6.0710-58.5410-410-337.4710-510-338.4010-510-351.2210-410-31淤泥质粘土6.8510-66.2010-610-355.5410-6五运行期堤坝及堤基土层渗透性和渗透变形特性对比研究分析水库筑成后已蓄水运行，开展堤坝及堤基土层蓄水运行期与运行前的渗透性和渗透特性对比分析工作对渗流控制具有指导意义。本次工作参照了水库围堤平面分段，对各段综合统计，得出比各断面平均参数更为可靠的堤身吹填砂、袋装充填砂和堤基各透水土层的渗透系数和渗透变形参数。在各断面渗透特性室内试验成果的基础上，针对各典型平面分段，与2007年详勘阶段围堤渗透变形试验成果进

20、行对比分析，研究围堤形成以后吹填砂、袋装充填砂的渗透性和渗透变形特性的变化情况，以及对堤基透水土层的渗透性和渗透变形特性的影响。对蓄水运行期与筑堤前的渗透性和渗透特性对比分析，主要采用样本显著性检验分析。（1）对比试验结果差异显著性分析的原理：在自然现象和社会现象中，大量随机变量都服从或近似服从正态分布。在本试验分析中，同一土样的渗透系数的测定值也根据正态分布进行试验测定值的显著性分析。显著性检验又叫假设检验，是对多组试验结果的差异进行分析的重要手段。显著性检验的方法很多，常用的有u检验、t检验、F检验和c2检验等。尽管这些检验方法的使用条件及用途不同，但检验的基本原理是相同的。在室内渗流试验

21、中，进行了两组试样对比试验，在相同试验条件下，两组试样分别进行单独试验，获得两组试验平均值为：x1=3.210-3cm/s, x2=2.510-3cm/s我们根据两组试验平均值的差值x1-x2=0.710-3cm/s，不能确切判定这两组试样的平均值是否一致。因为两组试样参数平均值x1、x2都是从同一土层取得，仅是两次试验有关区域参数平均值的估计值。由于存在试验误差 ，样本平均值并不等于总体平均值，样本平均值包含总体平均值与试验误差二部分，即x1=u1+1, x2=u2+2(x1 -x2)=(u1-u2)+(1-2)其中，(x1 -x2)为试验的表面差异，(u1-u2)为试验的真实差异，(1-2

22、)为试验误差。试验的表面差异(x1 -x2)是由两部分组成：试验的真实差异： (u1-u2)；试验误差： (1-2)。虽然真实差异(u1-u2)未知，但试验的表面差异(x1 -x2)是可以计算的，借助数理统计方法可以对试验误差作出估计。所以，可将试验的表面差异(x1 -x2)与试验误差相比较间接推断真实差异(u1-u2)是否存在，即进行差异显著性检验。显著性检验的目的在于判明，试验的表面差异(x1 -x2)主要是由试验的真实差异(u1-u2)造成的，还是由试验误差(1-2)造成的，从而得到可靠的结论。（2）对比试验结果差异显著性分析的步骤：由于，本次试验取样样本容量较小，对于小样本（n 30）

23、检验，适合采用t检验法。t检验法，就是在显著性检验时利用 t分布进行概率计算的检验方法。H0：u1=u2， H1：u1u2 (4-1)因此，用实际计算出的检验统计数t的绝对值与显著水平对应的临界值t比较。如果： |t|,即表示在概率为的显著水平下，能够接受假定H0；如果： |t|,即表示在概率为的显著水平下，拒绝假定H0，接受假定H1。（3）两次试验差异显著性分析假定和显著水平本次对比分析中，假定本次试验平均值与上次试验平均值相等，没有显著差异，则公式(4.1)的假定中的u1代表2007年试验土层的渗透参数平均值，而u2代表本次试验土层渗透参数平均值。接受假定表示：本次试验参数平均值与2007

24、年详勘阶段试验平均值在统计学上没有显著差异，即表示蓄水运行期间的围堤渗透参数室内试验平均值与2007年详勘阶段没有蓄水以前围堤渗透参数平均值相同。拒绝假定表示：本次试验参数平均值与2007年详勘阶段试验平均值在统计学上有显著差异。取显著水平特征值=0.05，表示有概率（1-）=95%的可能接受本次试验平均值与2007年试验平均值没有显著差异。样本容量小于3的不能够进行显著性分析，样本容量大于6的显著性分析比小容量分析更接近真实值。5.3东堤渗透性和渗透特性的变化情况东堤为新建围堤，原滩面高程较低。东堤土层渗透性和渗透变形特性见表5.3-15.3-2.表5.3-1和5.3-2分别为2007年和2

25、010年东堤土层渗透性和渗透变形特性的成果表。（1）堤身东堤堤身吹填砂垂直渗透系数为2.10710-3 cm/s左右，袋装砂渗透系数为2.14410-3 cm/s；渗透变形形式为流土破坏，堤身渗透性未发生明显改变。（3）堤基各透水层渗透特性的变化东堤原滩面高层较低，堤基透水层主要为3-2层和3-3层。其中3-3层渗透系数变化较小，2007年试验结果为1.11510-3cm/s，东堤建成后其透水性未发生明显改变，试验统计结果为9.83510-4 cm/s。渗透变形形式多为流土破坏。表5.3-1 2007年东堤土层渗透性和渗透变形特性参数表层 号颜色土层名称渗透系数(cm/s)临界渗透坡降破坏渗透

26、坡降破坏形式水平垂直3-2灰黄色细砂1.48010-42.42910-40.8750.937流土3-2灰色粉砂5.24210-43.59010-40.90751.005流土3-3灰色砂质粉土4.60210-41.11510-3表5.3-2 2010年东堤土层渗透性和渗透变形特性统计表层号颜色定名分类统计参数水平渗透系数垂直渗透系数临界坡降垂直坡降渗透变形形式0灰黄袋装充填砂试验结果统计平均值2.01010-31.91010-30.930 1.030 管涌样本容量5555最大值3.50710-33.67010-31.050 1.150 最小值8.48410-45.65610-40.750 0.8

27、50 标准差1.17910-31.11510-30.115 0.115 变异系数0.587 0.584 0.124 0.112 差异显著性检验2007平均值-显著水平-t-t临界值-p-0灰黄吹填砂试验结果统计平均值2.81010-31.87510-30.983 1.117 管涌样本容量6666最大值4.84410-33.45410-31.250 1.350 最小值1.07410-35.51810-40.850 0.950 标准差1.23310-31.10910-30.147 0.154 变异系数0.439 0.591 0.150 0.138 差异显著性检验2007平均值-显著水平-t-t临界值-p-3-2灰色砂粉夹粘土试验结果统计平均值8.39210-48.75910-41.142 1.271 流土样本容量3333最大值1.13610-31.24010-31.750 1.850 最小值6.42110-44.28110-40.775 0.963 标准差2.614