堤防工程土工合成材料应用技术一六

堤防工程土工合成材料应用技术(23)简介：千百年来，在水利工程中，人们广泛采用的材料主要是木、竹、土、石等天然材料以及一些金属材料，但它们都有一些固有的缺陷，例如性能单一，质量大，寿命不长，价格昂贵等，故不能全面满足工程的特定需要.....关键字：堤防工程土工合成材料应用第五章防汛抢险工程

第一节概述述

第二节渗流与与堤防安全全

第三节防汛抢抢险中常用用土工合成成材料及其其优点

第四节汛常见见的险情和和抢险实例例

第五节工程汛汛后除险第一节概述江河湖海堤防是目前防御洪水的主要工程措施之一。由于历史或其他原因，现在堤防的堤身和地基存在着各种不同的隐患。一旦汛期出现险情，就必须进行紧急抢险。其中抢险材料与抢险技术是两个重要环节。防汛抢险所面临的局面往往是险情迫在眉睫，因此要求所采用的材料质量轻，易于搬运，不易腐烂，而且施工简便，效果立竿见影。近年来发展起来的土工合成材料及其制品能更好地满足上述要求。1991年，长江中下游、太湖流域发生了严重洪涝灾害(主要是涝灾)。在防汛抢险中使用物料方面和以往相比有一个很大的变化。安徽、江苏两省农民、市民白筹使用了6000多万条曾装过化肥的编织袋，用这些袋子装土配合非织造土工织物、织造土工织物、麻袋、草袋、木椿等抢筑了很多子堤，处理了溃口、漏洞、崩岸与内脱坡等险情，赢得了时间，减少了灾害造成的损失。土工合成材料在防汛抢险中的作用由此初露锋芒。1998年，长江和嫩江、松花江发生特大洪水，水位之高、时间之长、范围之广是历史上罕见的。长江发生了继1954年以来又一次全流域大洪水，先后出现8次洪峰，高洪水位维持长达90余天，防洪形势十分严峻。在党中央、国务院、中央军委的直接领导和指挥下，取得了抗洪抢险的全面胜利。50年来建设的水利工程和防洪设施发挥了巨大的调洪作用，特别是土工合成材料在抗洪抢险中的突出作用，成为战胜这场洪水的重要因素之一，为人们所瞩目。本章首先简要阐述堤防渗流与堤防安全的关系，论述抢险加固的基本原则，然后重点阐述土工合成材料如何在防汛抢险中实际应用，包括常见的一些险情以及应用的若干实例。但需要指出的是，防汛抢险是一项突击性的、因地制宜的应急任务，着眼于“抢”字，不象一般永久性或临时性工程那样，有充裕时间，可以按正常程序和预定计划进行试验、设计和施工。故以下所举实例往往难免资料欠完整，情况欠周详，但读者仍可从中领略其应用要旨，体会其优点，以参考借鉴，举一反三。土工合成材料在防汛抢险中可单独使用，也可结合其他天然材料共同作用。在本章所列的实例中，许多是两者结合的。第二节渗流与堤防安全我国长达数数十万公里里的堤防，由由于其漫长长的形成历历史和自古古以来“民堤民修”的形成方方式，堤防防质量较差差，汛期常常常发生各各种险情，其其中因渗流流造成的险险情最为突突出。1998年统计资资料表明，溃溃口大多是是由渗透破破坏引起，渗渗透破坏约约占险情总总数的70％，说明明这类险情情的普遍性性和危害性性。鉴于渗渗透破坏的的严重性，有有必要对堤堤防的渗流流状态，以以及什么情情况下发生生渗透破坏坏作一简述述。一、堤防渗渗流渗透破坏往往往始于土土体渗透变变形，也就就是土体结结构在渗流流作用下先先发生土粒粒移动或土土块浮动等等变形现象象，而后发发展到完全全丧失抗渗渗能力。这这一过程受受到渗透水水流和土体体自身性状状两方面因因素控制。堤堤防在一年年的运行中中，渗流压压力在汛期期达到顶点点，形成最最不利的外外界条件。土土体自身性性状则比较较复杂，受受土的矿物物成分、颗颗粒组成、密密实程度等等多方面的的影响，不不同的土层层具有不同同的渗透性性，而不同同渗透性的的土层位置置和分布，对对堤防整体体的抗渗能能力也有很很大的影响响。

图5-1汛期堤堤防渗流场场分布

(aa)枯水期堤堤防渗流分分布；(b)单层(均质)地基；

(cc)二元结构构地基图5-l(a)是非汛期堤防内渗流的情况，此时堤后地表完全不受渗流影响。图5-1(b)、(c)是汛期江水位居高不下时，某些堤段的渗流场分布情况，从该等势线图(在一条等势线上，各点的测压水位在同一水平面上)可以看到，此时堤防背水侧从坡脚到堤后地表，均形成了渗流的出逸面。这种状态在汛期常常可以看到。汛期的外江水位是否会导致堤内渗水出逸，并是否因此会酿成大的险情，主要受几个关键因素控制：首先是堤身与地基的渗透性。它决定土体遇水后从非饱和状态到饱和状态发展的时间长短，以及堤段渗透水量的大小。在多层地基中，渗透系数越低的土层，对渗水的阻力越大，承受的水力比降越高。第二个关键因素是渗水出逸处土体承受的水力比降，称为出逸比降。在渗流作用下，土体的渗透变形都发生在有渗流出口的地方，然后才向内部扩展，所以作用在出口处的出逸比降非常关键，它影响到口部位的土体是否起动、变形。第三个关键因素是土体能够承受的不会发生渗透变形的最大水力比降，称为临界比降Jcr它被用来表示土体的抗渗强度。对不同的土质和不同的土体结构，其值是不同的。当堤防出口处的出逸比降值超过土体抗渗强度时，土体就会发生渗透变形。土的渗透变形的形式有多种，主要有二：一是流土，二是管涌。前者是出口处土体整体浮动的现象，后者则是土颗粒在土体内的移动。这两者的形式虽然有所不同，但其基本原因是近似的，都是渗流力超过土的浮容重引起的，习惯上均称为“管涌”。当J＜Jcr时，土体保持渗透稳定；当J≥Jcr时，土体从平衡临界状态到渗透变形或破坏。J是土体实际承受的出逸比降，Jcr是出口处土体的临界比降。J会随着时间和水位变化而变化。出逸比降可用流网法或有限元法计算得到：J＝[(hn-1－－hn)/(△Ln)]＝△hn/△Ln(5-1)式中符号的含义可见图5-2，其中△Ln为两等势线间水流的平均流程。土体的允许比降可通过试验方法或经验公式得到。在实际工程中，土中的比降不允许采用达到极限平衡状态时的临界比降值，一般认为应给以1.5～3.0左右的安全系数，这样所得的值即为允许比降[J]。对于中小工程，无粘性土的抗渗指标可参照表5-1选取。表5-1无粘性土允许比降经验值允

许

比

降渗透变形形式流土型过渡型管涌型Cu〈3Cu=3～5Cu〉5级配连续级配不连续J允0.25～

0.350.35～

0.500.50～0.800.25～0.400.15～

0.250.10～0.15

注Cu为土的不均匀系数。

图5-2粘土堤堤坝下透水水基础的流流网分布对于粘性土的抗渗强度，可按照扎马林公式求得：Jcr＝(Gs－－1)(1－n)＋0.5nn

[J]＝Jcr/k(5-2)式中：[J]为允许比降；Gs为土粒比重；n为孔隙率；k为安全系数。联系到堤防工程，汛期江水位逐渐升高时，堤防土体内的饱和区域逐渐向非饱和区域发展，浸润面也逐渐升高、后移。当饱和区的发展快于江水由上升至回落的速度时，堤后就会形成出逸面，出逸比降也会随江水继续升高而逐渐增大。这时就出现了渗流作用(出逸比降)与土体抗渗能力(临界比降)之间的抗衡。一旦出逸比降接近和超过了土体临界比降，就会引发各种渗透破坏的征兆，如不及时处理就会酿成更大的险情。这就是汛期江水位越高，历时越长，险情就发生得越多、越重的渗流方面的原因。了解了堤防渗流的原理和渗透破坏的控制性因素，有助于我们正确地处理渗透破坏险情。二、汛期险情处理的一般原则堤防汛期险情多种多样，它们因多种内外因素而异，如堤防断面、堤身填土类型及质量、地基土层结构及渗透性、堤防内外的水位条件等。但概括来说，这些险情大致可以分为两大类，即静力失稳和渗透破坏。这两方面是互有联系的，不能截然分开，而且对于静力失稳的破坏，有时也是因渗透破坏而引起的。在本节中，主要讨论与渗透破坏有关的问题。在汛期，由于渗流运动直接或间接造成的堤防与地基的土体变形、破坏，主要有以下一些表现形式：(1)强透水砂层地基中的承压水顶穿表层弱透水粉质壤土层或淤泥土层，形成集中渗流造成局部流土。如不能及时止住，土的流失会继续向堤的内部发展成为连通的通道。当通道持续发展扩大时，堤防就会下沉、开裂，进而破坏。见图5-3(a)。(2)背水坡坡脚处因渗渗水出逸出出现大面积积沙沸现象象，使坡脚脚泡软出现现局部内脱脱坡。或者者坡脚由于于水流淘刷刷或人工挖挖坑，破坏坏边坡的完完整性，使使边坡失去去支撑而造造成大的堤堤坡滑动或或崩塌。见见图5-3((b)、(c)。(3)江水位位降落时，堤堤身的水不不能及时排排出，产生生了反向的的渗流，加加上堤内土土中过高的的孔隙水压压力，导致致堤防在江江水退水时时产生外脱脱坡。如果果堤防又处处在受河水水沟刷的堤堤段，在内内外水流的的综合作用用下，更会会加剧滑动动，见图5-3((d)。(4)当护坡坡块石下面面没有反滤滤垫层时，在在波浪的冲冲击下，水水流会淘刷刷坡面土粒粒，使坡面面塌陷，见见图5-3((e)。

图5-3土体变变形破坏的的表现形式式(5)堤身或堤基含有贯穿上下游的通道，这些通道有可能是天然存在的强透水薄砂层，也可能是人为的，如堤后有打穿弱透水表层的水井，井周又缺乏适当的反滤层保护，或者穿堤涵管埋设质量差等，这些都易形成接触冲刷通道，危及堤防安全。图5-3(f)所示的二元结构地层，堤后粘性土层底板可能承受着高达全水头80％以上的渗流压力，如被打穿，是极其危险的。(6)无护面面的“赤膊堤”或坡面排排水不好的的堤段，在在暴雨的冲冲刷下，会会使堤坡形形成雨淋沟沟冲蚀坡面面，并进一一步导致渗渗流出口处处渗透稳定定性的削弱弱，甚至破破坏。以上险情，有有些是由于于历史遗留留下的隐患患或地层的的薄弱环节节引起的，有有些属于人人为造成的的。对于人人为造成的的缺陷今后后要严格禁禁止，同时时要在汛前前及早发现现和弥补。对对于历史造造成的大量量隐患和薄薄弱环节，至至今我们还还无法完全全掌握有关关信息，更更不可能完完全排除。所所以“以防为主主、防重于于抢”的方针十十分重要，应应做好堤防防的汛前检检查鉴定，尽尽量减少出出险的可能能性。在汛汛期，一定定要加强巡巡查，及早早发现险情情，除掉险险情，不使使酿成大患患或后患。

图5-4简化模模型的比较较

K1＝10-5cm/s；K2＝10-6cm/s；K3＝10-5cm/s为了堤防的除险加固必须进行渗流控制，其措施主要是防渗和排渗，以及渗流出口处的反滤保护。这些措施就其原理来说，一是减小出逸比降，如上游防渗、下游排渗、延长渗径等措施，以及提高下游水位(养水盆)等。二是增大出口处土体抗渗能力(增大允许比降)，如下游加反滤层、加盖重等。总的就是“上堵下排”原则。图5-4为两种简化的堤坝模型计算结果。图(a)为均质土堤，其渗流量为QA，图(b)为同样的土堤加上“上堵下排”措施，其渗流量为QB。计算结果表明，QB＝0.4QA，“上堵”减少了渗透水量，并在上游侧大幅度降低了渗流压力；“下徘”则降低了出口附近的自由水面高度，降低了出逸比降。应当再次强调，加强渗流出口处的保护在汛期具有特别的意义。保护出口处不遭渗流破坏，是保证堤防渗透稳定的主要途径。由于反滤层可以保护土颗粒不致从渗流出口流失，同时渗流一旦进入反滤，渗透压力将全部或大部分消失，所以反滤层成为防止土体渗透破坏的最有效的措施。另外，当堤后地面覆盖上反滤层后，它本身的重量也会使地层的抗浮能力增加，故堤防安全度也增加了。关于土工织物的反滤层设计，可参看第二章