堤基滲透破壞機(jī)理及控制方法探討

侯繼祥

(白城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，吉林 白城 137000)

我國(guó)地域遼闊，擁有大量的河流湖泊，由于自然因素和地理因素復(fù)雜多樣，一直存在著大量的洪澇災(zāi)害，給國(guó)民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重威脅，也不利于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。解放以來(lái)，歷經(jīng)多年努力和治理，我國(guó)已經(jīng)初步建成長(zhǎng)江和黃河等七大江河防洪工程，在一定程度上保障了社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展。依據(jù)長(zhǎng)期防洪實(shí)踐工作，我國(guó)當(dāng)前建成的堤防長(zhǎng)度共25萬(wàn)km，主要堤防7萬(wàn)km。因?yàn)闅v史因素和地質(zhì)條件等因素的影響，當(dāng)前建成的堤防工程在遇有高洪水期時(shí)，依然會(huì)出現(xiàn)管涌、滑坡和漫溢等危險(xiǎn)情況。

1 滲透破壞基本概念

所謂滲流就是指流體在巖土縫隙當(dāng)中的流動(dòng)現(xiàn)象［1］，而滲透變形主要指的是土體在滲流影響下發(fā)生破壞的不同形式，大多情況下可以分為流土、管涌和接觸沖刷、接觸流土四種形式，堤防工程一般情況下具有下面幾種特點(diǎn):

(1)因?yàn)榈谭拦こ潭嘉挥诮友匕?，堤基?huì)存在較厚的砂層，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)滲透現(xiàn)象，給治理工作帶來(lái)很大困難。

(2)一般情況下堤防具有較長(zhǎng)的線路并且存在較大的地形變化，通常情況下可以分為單元結(jié)構(gòu)、二元結(jié)構(gòu)和多元結(jié)構(gòu)地層，堤段不同地層結(jié)構(gòu)不同，滲流場(chǎng)特點(diǎn)也會(huì)存在不同，要依據(jù)實(shí)際工程進(jìn)展情況分段進(jìn)行研究。

(3)堤防是在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)建設(shè)而成的，在構(gòu)筑堤防時(shí)一般情況下都是就近取土，堤身質(zhì)量不能保證，堤身后面存在大量的溝塘，堤基滲流場(chǎng)是空間三維滲流問(wèn)題，因此在進(jìn)行研究時(shí)要采用恰當(dāng)?shù)姆椒ǎ?］。

2 室內(nèi)砂槽模型試驗(yàn)研究

在實(shí)際施工過(guò)程中常常是多種因素共同作用才會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)滲透破壞現(xiàn)象，情況非常復(fù)雜，隨機(jī)性很高，只依靠理論研究很難解決問(wèn)題。運(yùn)用試驗(yàn)和理論研究相結(jié)合的方法解決問(wèn)題。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

對(duì)試驗(yàn)用的砂槽模型箱做框架支護(hù)，將厚度為10mm的有機(jī)玻璃安裝于模型槽的四周，便于試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象做即時(shí)觀察，同時(shí)可有效預(yù)防模型槽在水壓過(guò)大的情況下發(fā)生變形。試驗(yàn)所用砂樣通常選擇原型天然材料，以確保實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅３滞瑢?shí)際水力坡降及材料具有相等的抗?jié)B強(qiáng)度。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果展開研究時(shí)的無(wú)量綱量為水力坡降，做比較分析過(guò)程中利用浮托力與壓重采用和比值，亦為無(wú)量綱量，故此模型比尺不會(huì)產(chǎn)生任何影響。在滲透變形過(guò)程中，水流將于層流和紊流這兩種狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，無(wú)法對(duì)流量比尺進(jìn)行確定，故只能進(jìn)行相對(duì)趨勢(shì)的研究，無(wú)法做絕對(duì)值的換算。

2.2 試驗(yàn)方法

在堤防防滲加固時(shí)，通常采用的一種方法就是填砂壓滲［3］。覆蓋層蓋重對(duì)滲透破壞產(chǎn)生的影響可經(jīng)試驗(yàn)確定。在試驗(yàn)中，通常應(yīng)用塑料薄膜加砂壓重的試驗(yàn)方法來(lái)模擬覆蓋層，調(diào)整覆蓋層壓重的方法是使砂層厚度發(fā)生變化，在這個(gè)過(guò)程中觀察覆蓋層蓋重對(duì)滲透破壞產(chǎn)生的影響，試驗(yàn)通過(guò)開槽的方式設(shè)置下游出口。

設(shè)滲透破壞前蓋重與浮托力的比值為:

試驗(yàn)中當(dāng)壓蓋砂厚100mm時(shí)，滲透破壞前實(shí)測(cè)薄膜底平均承受水位差170mm，此時(shí)η=1.059。

在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)砂壓重為100mm時(shí)，達(dá)到臨界工況。覆蓋砂在100mm之下時(shí)，破壞產(chǎn)生之前，覆蓋層將被頂托，這體現(xiàn)出工程在實(shí)際施工中存在的“牛皮脹”現(xiàn)象，產(chǎn)生的滲透破壞類型是接觸沖刷破壞;在覆蓋砂達(dá)到100mm以上時(shí)，將產(chǎn)生流土破壞。在進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中，壓重砂的厚度不同，其所對(duì)應(yīng)的出現(xiàn)滲透破壞時(shí)的薄膜底部所承受的平均水頭的比值也不同，具體如圖1。

圖1 壓蓋砂厚度與蓋重和浮托力比值關(guān)系圖

由于隨著壓重砂厚度增大，破壞時(shí)水頭差也增加，因此相應(yīng)的蓋重與浮托力比值并不呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。試驗(yàn)成果分析中以η≈1的壓重100mm作為基準(zhǔn)，蓋重安全系數(shù)為K=ti/t100，式中:ti為不同試驗(yàn)壓重砂的厚度，t100為壓重砂厚度100mm。不同壓重工況下滲流各階段的水平坡降見圖2，出口坡降見圖3。

圖2 蓋重安全系數(shù)與水平水力坡降關(guān)系圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)可以看出，與壓重提高相伴的是，試驗(yàn)砂的沙沸坡降在增大，臨界坡降在增大，破壞坡降也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。當(dāng)沙沸水平坡降處于0.10～0.36時(shí)臨界水平坡降是0.19～0.40，破壞水平坡降是0.22～0.41。當(dāng)沙沸出口坡降處于0.53～0.96時(shí)，臨界出口坡降則是0.59～1.10。這時(shí)的出口坡降要高于水平坡降。在壓重安全系數(shù)超過(guò)1.0時(shí)，沙沸出口坡降達(dá)到0.8左右，這里的臨界出口坡降達(dá)到1.0左右，這個(gè)數(shù)值同用太沙基公式所計(jì)算出的垂向流土的臨界坡降近似。

圖3 蓋重安全系數(shù)與出口水力坡降關(guān)系圖

制樣存在的不均勻性，導(dǎo)致滲流初期的沙沸坡降具有較大的離散性，在滲流后期，臨界坡降與破壞坡降則具有相對(duì)小的離散性。與壓重增加相伴的是，沙沸坡降出現(xiàn)小幅的增加，而臨界坡降則出現(xiàn)大幅增加，沙沸水平坡降同臨界水平坡降之間出0.05～0.1的差距，同破壞水平坡降對(duì)比相，則有0.1左右的差距。與壓重增長(zhǎng)相伴的是沙沸坡降和臨界坡降間差值在增加，體現(xiàn)出壓重對(duì)滲透變形具有相對(duì)小的影響，但對(duì)滲透變形將產(chǎn)生相對(duì)大的控制作用。

對(duì)于下游砂層出露的堤基，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著懸掛式防滲墻截滲深度的增加，等效滲徑不斷增長(zhǎng)，抵抗水頭也不斷增大，防滲效果明顯。但由于水頭損失主要由防滲墻段承擔(dān)，整體承壓水頭增大，防滲墻下游的滲透破壞坡降反而降低。而對(duì)于下游無(wú)砂層出露的堤基，水頭損失大部分由下游相對(duì)弱透水的覆蓋層承擔(dān)，懸掛式防滲墻只是增長(zhǎng)了砂層的滲徑，對(duì)于消減覆蓋層承壓水頭是有限的，因此對(duì)于滲透變形發(fā)生的控制作用較小。

因此，對(duì)下游有砂層出露的堤基，水頭損失主要由砂層承擔(dān)，懸掛式防滲墻可以有效延長(zhǎng)滲徑，將滲透破壞趨勢(shì)引向深部砂層，提高地層的抗?jié)B能力，同時(shí)有效阻止管涌破壞時(shí)上游細(xì)顆粒被帶走。但是當(dāng)下游出口砂層水力坡降超過(guò)臨界坡降時(shí)，仍會(huì)發(fā)生局部流土破壞，雖然由于懸掛式防滲墻的限制，上下游難以形成貫通的破壞通道，但會(huì)造成覆蓋層甚至堤身塌陷，從而發(fā)生險(xiǎn)情。

在下游滲流出口沒(méi)有進(jìn)行任何處理的情況下，沙沸坡降與臨界坡降都相對(duì)較小。在對(duì)下流出口進(jìn)行齒墻處理之后，其流態(tài)出現(xiàn)變化，水流變成了垂直出流，使抗?jié)B能力得到提高，在滲透變形的每個(gè)階段，坡降都有一定的提高。只是齒墻的貫入度不能過(guò)大，過(guò)大將使墻前的承壓水頭被抬高。在對(duì)下游實(shí)行齒墻與反濾處理之后，并沒(méi)有產(chǎn)生沙沸現(xiàn)象，而臨界坡降也出現(xiàn)較大提升，只是滲流量出現(xiàn)增加。利用這種處理方式能使堤基的抗?jié)B能力獲得切實(shí)的提升。

針對(duì)砂層出露工況和覆蓋層很薄的工況，在滲透現(xiàn)象出現(xiàn)初期，上游水位在臨界水位以下部位時(shí)，假如此時(shí)水位不再上漲，通常情況下不會(huì)出現(xiàn)滲透破壞，假如外江水位依然不斷上漲，則須特別注意，為達(dá)到搶險(xiǎn)目的，要利用沙沸坡降和破壞坡降的空間方法進(jìn)行。如果覆蓋層屬于較厚的情況，承壓水頭頂穿覆蓋層時(shí)，滲流場(chǎng)的臨界水位就會(huì)被上游水位超過(guò)，此時(shí)滲透變形就要發(fā)展成滲透破壞，必須認(rèn)真對(duì)待這種險(xiǎn)情，迅速投入搶險(xiǎn)當(dāng)中。

總之，在洪水期間堤防發(fā)生險(xiǎn)情的過(guò)程當(dāng)中堤基透水層滲透破壞是一種較為常見的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)堤基滲透破壞機(jī)理的探討，以及對(duì)控制方法的研究，可把握堤基滲透破壞出現(xiàn)的種類及其相應(yīng)特點(diǎn)，從而采取相應(yīng)的處理措施，以有效保證堤防的安全，提升堤防加固能力和防洪決策水平。

［1］周曉杰，介玉新，李廣信.基于滲流和管流耦合的管涌數(shù)值模擬［J］.巖土力學(xué)，2009(10).

［2］王保田，陳西安.懸掛式防滲墻防滲效果的模擬試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008(S1).

［3］劉杰，謝定松，崔亦昊.江河大堤雙層地基滲透破壞機(jī)理模型試驗(yàn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2008(11).