江河堤防土堤的病害及其整治

PAGEPAGE8江河堤防土堤的病害及其整治1土堤的工作条件1.1堤身和堤基的渗透作用。土堤是由散粒性材料(土)构造成的。其中存在着孔隙，因而总是存在着一定的透水性；同样，土质地基也存在着透水性。水通过堤身和土质堤基内部空隙运动就形成渗流。堤身中渗透水流表面是一条曲线，称这水流表面曲线为浸润线。浸润线以下的坝体材料空隙中充满了水，使坝体受到上浮力和渗透力的作用。上浮力使土的重量减轻，并降低土的抗剪强度，使得堤坡容易产生滑动.堤坡滑动称脱坡。渗透坡降大,渗透压力也大。在渗透压力作用下，土粒甚至土坝会产生移动。坝体内部土粒移动不引起内部结构改变(土粒相对移动)称汗蚀；土粒被渗水大量带走流出坝体称管涌；当渗流出口土块发生移动或掀起称流土，管涌、流土一般是难以绝然区分的。汗蚀、管涌、流土统称渗透变形。1.2波浪和风雨作用迎水面堤坡会受到水体中波浪的冲击和淘刷带走土料形成浪坎。背水面堤坡和堤面受到风雨侵蚀形成沟洼。1.3水流的冲刷作用长江堤防，若处在弯道凹岸或凸出江中，堤岸脚会受到水流冲击，产生堤岸崩塌。1.4气候的影响堤身、斜墙和铺盖内用的土料(尤其是粘性土)在冬季因水冻而膨胀，溶化时可能形成空穴或裂缝；在夏季因烈日曝晒会发生干裂，这些现象都会降低土的防渗性能，甚至破坏堤身的局部稳定(降低土的抗剪强度)。1.5沉陷作用沉陷可分二种：一是堤身沉陷，二是堤基沉陷。一般情况下，如果在施工时注意了堤身土料填筑的密实度，堤身的沉陷是不太大的，若堤筑在土基上，地基会因受堤身重量的作用而产生压缩沉陷。如果地基是粘土或有淤泥层，则压缩沉陷更大。1.6生物作用生物作用通常是指小动物或昆虫，如田鼠、蛇和白蚁的穴居，这些生物穴居堤内使坝体内部结构发生突变，危及安全。2黄石市区长江堤防土堤病害及其产生原因从黄石市区历年汛期长江堤防发生的险情分析，最为常见的病害及其原因可以归纳为以下几类：2.1渗流引起的病害黄石市区长江堤防土堤由水流渗透作用产生的病害有散浸、流土、管涌、脱坡。散浸这是堤防上发生最为普遍的险情病害，以1983年和1998年汛期为例，黄石市区27公里江堤(其中:土堤19公里)，土堤散浸分别就达15.4公里和14.2公里。土堤散浸的原因是堤身土料含砂重，外坡又无透水性小的粘土防渗层。如二百二堤最具代表性，堤身几乎全部由重砂土筑成。流土、管涌主要发生在高水位情况下，1983年和1998年汛期黄石市区长江堤防高水时，分别共发现443个和395个流土、管涌点。流土管涌病害在黄石市区堤防如此严重。是由黄石市区堤防基础特定条件而决定的。从流土、管涌集中的堤段(二百二、西寨、凉亭山)看，地基多属于沉积层，地基由粉砂和泥质层相间排列组成，只是埋深不同；同时堤段都位于江水顶冲部位，堤脚内附近地面又不同程度地低于外围地面或有局部破坏。如(图一)这样，江水冲刷切穿砂质土层，砂质层在江出露与江水相通，江水流过砂质层，窜入堤内，渗透压力损失很少，当江水升高时，堤内土层要承受很大的渗透水压力，如果水压力超过地层盖重（抵抗压力），水流就会冲破地层出露，将砂层的砂或出口的土粒带出，形成管涌和流土，地层薄，抵抗压力小，管涌和流土首先在这些地层薄弱处出现，所以黄石1983年和1998年汛期管涌、流土是成群发生的，是符合上述规律的。脱坡，这种病害是和散浸密切关联的。当散浸严重的堤段，堤坡严重饱和，土的抗剪强度显著下降，堤坡局部稳定就会被破坏，产生滑动趋势；当堤脚基础软弱，不能支持滑动体时就会产生脱坡。江堤脱坡病害在黄石先后出现多次，1983年汛期，代司湾堤脱坡险情的先兆就是散浸，从而酿成了内坡大脱坡。漏洞，一般说是由于堤身内部有机物、暗剅等在筑堤时未清除、或筑堤时部分土料松散，接头龙口不密实留有隐患，或蚁、蛇等动物打洞，在高水位压力下，将平时的淤塞物冲开或因长期渗漏，致松土隐患串连成洞，如1983年汛期西塞乡政府处江段江水漏洞，就属于暗剅隐患产生的。2.2沉陷引起的病害堤身或堤基的沉陷表现为堤面标高的下降或堤面堤坡的开裂，如1998年汛期二百二堤堤面开裂、下降，就是由于堤基沉陷产生的，当时堤身刚刚进行了加高培厚，堤基在加压情况之下，破坏了临界平衡沉陷，使堤面拉裂或下降。2.3水流冲刷引起的病害水流冲刷成害，要由水流结构和被冲地段地质特性二方面来决定，从水流结构说，冲刷段必须有横向底流，从地质特性说，岸脚地极松软，抗冲能力差。根据河流动力学对河还水流结构分析得出的结论，河湾顶端下游和回水区顶端下游都有离岸横向底流，水流的严重淘刷作用都发生在河道的这些部位。如（图二）。黄石具有代表性的冲刷水流堤段有代司湾和石油库码头下游。代司湾,如（图三），由于离岸横向底流落在海观山脚，是岩性地层，岸壁淘刷不明显。但是，高水位时，随着水位上升，离岸横向底流就会淘刷堤坡，持续时间长了，就会使块状材料护坡破坏形成堤坡崩塌，高水位时必须引起高度重视。石油库码头下游,如(图四），离岸横向水流落在非岩性江岸，形成严重淘刷，每年产生岸坡崩塌。2.4波浪和风雨引起的病害波浪和风雨引起的病害是黄石堤防病害最常见的。波浪冲击可以使堤防迎水坡产生鱼鳞斑状的浪坎，严重时可引起堤坡崩塌。风雨侵蚀可以产生堤面堤坡的沟洼，使其积水和水土流失，严重的可使堤坡局部饱和，降低土的抗剪强度，引起坡面的局部不稳定。2.5生物作用引起的病害生物作用引起的病害，黄石主要是白蚁穴居产生危害，如西塞堤花家屯处严重散浸，很大程度上决定于白蚁危害所致。3.土堤病害的处理土堤病害的产生，往往不是一种原因产生的，一般是几种原因共同作用，几种病害同时发生。3.1渗流引起病害的处理如前所述，渗流引起的病害统称渗透变形，都是发生在土堤持续挡高水位、堤内最高浸润线即将或已经形成的时候。处理的总原则是迎水坡堵截、减压，背水坡或脚导渗、抗压。由于水位高水深大，一般情况下，在迎水坡采取截渗措施比较困难，而是在渗流出口采取措施，保护渗流出口，不使遭受破坏，避免病害发展造成失事。3.1.1散浸的处理散浸处理最有效的办法是用反滤层保护散浸出口。反滤层的层间粒经级配应满足四个要求：a.各层内部颗粒不得移动；b.较细一层的颗粒不得移动；c.除极细颗粒外，被保护的土壤不应被带入细层；d.允许带走的土壤，不应停留在反滤层内，以免反滤堵塞；反滤层的结构,如（图五）。为满足条件①，反滤层同层内的粒料不均匀系数应满足；为满足条件②和③，相邻层间的粒料系数；为满足条件④，砂砾中小于0.15mm和碎石中小于5mm的颗粒含量不应超过5％，任何层中小于0.1mm的颗粒含量都不应超过5％。：表示某一粒径，滤料中恰好有60％的颗粒小于这个粒径。意义相仿。、：表示粗层和细层，或细层和被保护土壤的平均粒径。反滤层都用于土堤挡高水位时，散浸面积大，土壤严重饱和的情况。如1983年和1998年汛期黄石西塞堤、合兴堤、二百二堤、鼎丰堤背水坡或脚散浸处，就是采取这种措施处理的，效果很好。如果堤身宽大，散浸初起，土壤饱和不严重，可在内坡开沟，沟内按上述要求填滤料做成导滤沟，导滤沟有纵沟，斜沟和纵斜沟联合成“人”字沟三种，斜沟导滤范围大，收效快；“人”字沟具有斜沟的优点，又便于将渗水导出堤脚处，一般最为常用。“人”字沟布置，如(图六）。沟深0.5～0.8m；沟宽0.3～0.8m，纵沟间距5～8m。1998年汛期黄石鼎丰堤普遍散浸，处理措施，大部分是“人”字沟法。在采用导滤沟，反滤层措施处理散浸时，如果滤料用量大，材料供应或运输有困难时，还可用柴草代替滤料，具体做法是，在散浸部位的坡面上，完全铺一层厚5cm的稻草，上铺一层5～10cm厚的芦柴或细竹再盖一层草袋或稻草，然后表面覆土夯实；同样可用稻草包、芦柴、细竹做成导滤沟。在做导滤层和导滤沟时，应该特别注意其上、下界线，上界必须在浸润线顶点稍上，下界必须直至堤脚处，这样才能将渗水全部导出堤外，控制散浸的发展。3.1.2流土、管涌的处理流土、管涌表象相似，一般极难区分，为分别病害轻重，作适当的划分是必须的，利用渗流出口沙离沙丘的沙量平衡法来判别，通过1983年和1998汛期的实践证明，具有一定的可靠性。具体做法是：根据现场量测，可粗略地得到沙离的体积和沙丘的体积，如（图七），若，则说明渗水只带动了出口的砂土，可算为流土，若挡水位稳定或下落可暂时不处理；当，则表明堤基内部砂土已被水流带出，则管涌已经发生，则必须立即采取措施处理，如1983年汛期，西塞堤渗流出口带砂的险情多数属于流土，有部分未作处理而只是严密观察。流土、管涌是由于渗透压力超过地层盖重，水冲破地层带砂出露而成。渗透压力的大小决定于渗透坡降和透水体的土力学特性。对于某一挡水土体能否出现流土或管涌，常常用出现流土，管涌时的临界渗透水力坡降来判断（即）。的计算可用汰沙基经验公式估计：——土粒比重，n：土壤孔隙率这个公式，实质上是考虑动水压力和土的浮重平衡原理演变而来的。当流土或管涌已经发生，则可以采取加重出口重盖的措施来处理，重盖的厚度可用力平衡原理建立公式来估算：t:渗流某点以上重盖总厚度；h：某点的渗透压力，以水柱高计；r：为重盖材料（土、水和导滤料）的浮溶重。K：安全系数，粘性土取1.5～2.0，非粘性土取2.0～2.5。关于h值的确定，若有历年的渗透观测资料，可用实际资料分析估算：用现时浸润线坡度，减去渗流破坏坡度，乘以渗径长度L即是，。如（图八）所示。当无实测资料时，可以现场估算。估算的办法是：可在流土管涌出口点扣桶，让其水位升高最大值，此时流土管涌基本停止，则桶内水深即为h值，由于桶和土的接触面不可能绝对不漏水，因此此法所得h值应视实际情况适当加大。有了上述估算方法，我们就可以按照流土管涌处理的总原则制定具体措施。1983年汛期黄石西塞堤严重漏水。其上游堤段主要漏水处都集中在沟洼处。处理的措施：通过现场估算水位，一般在2cm左右，渗透压力不大，采取堵沟蓄水控制，水面稍低于地面，实际水深约0.3m时，流土管涌大部分停止。为防江水上涨，水中填铺砂、石导滤料0.2m（相当于低反滤围堰）。3.1.3脱坡的处理脱坡的原因是滑动力超过了抗剪力。处理的原则是设法减小滑动力，增加抗剪力，其做法可归纳为“上部减载、下部压重”，如因渗流作用增加滑动时，必须同时采取“前堵后排”的措施。上部减载的措施是在滑动体上部与裂缝上側陡坎部分削坡，临时挖除滑动体上部松土，迎水坡做防渗体，背水坡开沟导滤，压坡体与原堤中间做反滤排水层；下部压重的措施是放缓堤坡，堤脚做镇压台及滑坡体下部做压坡体，如1983年代司湾堤脱坡处理，就是采用这种办法处理的。3.1.4漏洞的处理漏洞的处理直接有效的措施是迎水坡堵塞漏源，漏洞进口小的可用铁锅扣堵，或用棉衣棉絮堵口；洞口较大或周围有几个小洞，可用棉被张开，顺坡下盖住洞口，然后再用土袋做外帮填土高出水面。水下找洞十分困难，发现漏洞后必须立即在漏洞出口（堤内）做导滤井，如果围堰导滤不及，可以扣桶导滤，再在桶外围堰填土固接。1983年汛期黄石西塞堤下游堤段主要漏水处都发生在废弃的地质探井口。处理的措施：在漏水出口处扣桶，桶内填铺砂、石料导滤,桶外围堰填土固接。效果较好。除此之外，还可开槽截堵，这是比较彻底但是最危险的办法，一般是不采用的，只有在别无他法而又堤身宽大、人力材料充足的情况下采用。3.2沉陷病害的处理堤身沉陷一般不大，处理比较简单，及时填土加高即可。堤基沉陷，处理比较复杂（在软基上修堤必须慎之又慎）,通常情况下，采取在堤脚外缘抛石或打桩固基，防止或减缓堤基土溜滑，同时加高堤面，以保证必须的堤高，在加高时，数量不宜过大，否则有引起超重加速地基沉陷的可能。若是不均匀沉陷引起裂缝，应用粘土填筑封闭裂缝，以防止灌水破坏坝体局部稳定，如1983年汛期昌大堤和1998年汛期二百二堤出现的裂缝,就是用拌合成的粘土压填缝后,表面覆盖沙壤土保护的，效果较好。3.3水流冲刷产生病害的处理水流冲刷病害，可以从改变冲刷水流结构和增加堤岸抗冲能力二个方面来采取措施处理，可以单独采取，也可联合采取。改变水流结构的措施，目前国内外广为采用的是修丁坝，挑撇离岸横向水流，使冲刷水流改变为淤积水流，丁坝挑流变冲为淤，在我国湖南中小河流域，北方大中河流，包括黄河都有应用，已收到显著成效。增强堤岸抗冲能力