堤基滲透破壞機理及控制方法探討

侯繼祥

(白城市水利勘測設計院，吉林 白城 137000)

我國地域遼闊，擁有大量的河流湖泊，由于自然因素和地理因素復雜多樣，一直存在著大量的洪澇災害，給國民的生命財產帶來了嚴重威脅，也不利于社會經濟的發展。解放以來，歷經多年努力和治理，我國已經初步建成長江和黃河等七大江河防洪工程，在一定程度上保障了社會穩定發展。依據長期防洪實踐工作，我國當前建成的堤防長度共25萬km，主要堤防7萬km。因為歷史因素和地質條件等因素的影響，當前建成的堤防工程在遇有高洪水期時，依然會出現管涌、滑坡和漫溢等危險情況。

1 滲透破壞基本概念

所謂滲流就是指流體在巖土縫隙當中的流動現象［1］，而滲透變形主要指的是土體在滲流影響下發生破壞的不同形式，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:

(1)因為堤防工程都位于江河沿岸，堤基會存在較厚的砂層，會經常出現滲透現象，給治理工作帶來很大困難。

(2)一般情況下堤防具有較長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構、二元結構和多元結構地層，堤段不同地層結構不同，滲流場特點也會存在不同，要依據實際工程進展情況分段進行研究。

(3)堤防是在很長時期內建設而成的，在構筑堤防時一般情況下都是就近取土，堤身質量不能保證，堤身后面存在大量的溝塘，堤基滲流場是空間三維滲流問題，因此在進行研究時要采用恰當的方法［2］。

2 室內砂槽模型試驗研究

在實際施工過程中常常是多種因素共同作用才會導致出現滲透破壞現象，情況非常復雜，隨機性很高，只依靠理論研究很難解決問題。運用試驗和理論研究相結合的方法解決問題。

2.1 試驗設備

對試驗用的砂槽模型箱做框架支護，將厚度為10mm的有機玻璃安裝于模型槽的四周，便于試驗過程中對試驗現象做即時觀察，同時可有效預防模型槽在水壓過大的情況下發生變形。試驗所用砂樣通常選擇原型天然材料，以確保實驗模型保持同實際水力坡降及材料具有相等的抗滲強度。對試驗結果展開研究時的無量綱量為水力坡降，做比較分析過程中利用浮托力與壓重采用和比值，亦為無量綱量，故此模型比尺不會產生任何影響。在滲透變形過程中，水流將于層流和紊流這兩種狀態之間進行轉換，無法對流量比尺進行確定，故只能進行相對趨勢的研究，無法做絕對值的換算。

2.2 試驗方法

在堤防防滲加固時，通常采用的一種方法就是填砂壓滲［3］。覆蓋層蓋重對滲透破壞產生的影響可經試驗確定。在試驗中，通常應用塑料薄膜加砂壓重的試驗方法來模擬覆蓋層，調整覆蓋層壓重的方法是使砂層厚度發生變化，在這個過程中觀察覆蓋層蓋重對滲透破壞產生的影響，試驗通過開槽的方式設置下游出口。

設滲透破壞前蓋重與浮托力的比值為:

試驗中當壓蓋砂厚100mm時，滲透破壞前實測薄膜底平均承受水位差170mm，此時η=1.059。

在試驗過程中，當砂壓重為100mm時，達到臨界工況。覆蓋砂在100mm之下時，破壞產生之前，覆蓋層將被頂托，這體現出工程在實際施工中存在的“牛皮脹”現象，產生的滲透破壞類型是接觸沖刷破壞;在覆蓋砂達到100mm以上時，將產生流土破壞。在進行試驗過程中，壓重砂的厚度不同，其所對應的出現滲透破壞時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系圖

由于隨著壓重砂厚度增大，破壞時水頭差也增加，因此相應的蓋重與浮托力比值并不呈線性增長關系。試驗成果分析中以η≈1的壓重100mm作為基準，蓋重安全系數為K=ti/t100，式中:ti為不同試驗壓重砂的厚度，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 蓋重安全系數與水平水力坡降關系圖

3 試驗結果

通過試驗可以看出，與壓重提高相伴的是，試驗砂的沙沸坡降在增大，臨界坡降在增大，破壞坡降也呈現增大的趨勢。當沙沸水平坡降處于0.10～0.36時臨界水平坡降是0.19～0.40，破壞水平坡降是0.22～0.41。當沙沸出口坡降處于0.53～0.96時，臨界出口坡降則是0.59～1.10。這時的出口坡降要高于水平坡降。在壓重安全系數超過1.0時，沙沸出口坡降達到0.8左右，這里的臨界出口坡降達到1.0左右，這個數值同用太沙基公式所計算出的垂向流土的臨界坡降近似。

圖3 蓋重安全系數與出口水力坡降關系圖

制樣存在的不均勻性，導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小的離散性。與壓重增加相伴的是，沙沸坡降出現小幅的增加，而臨界坡降則出現大幅增加，沙沸水平坡降同臨界水平坡降之間出0.05～0.1的差距，同破壞水平坡降對比相，則有0.1左右的差距。與壓重增長相伴的是沙沸坡降和臨界坡降間差值在增加，體現出壓重對滲透變形具有相對小的影響，但對滲透變形將產生相對大的控制作用。

對于下游砂層出露的堤基，試驗結果表明，隨著懸掛式防滲墻截滲深度的增加，等效滲徑不斷增長，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，整體承壓水頭增大，防滲墻下游的滲透破壞坡降反而降低。而對于下游無砂層出露的堤基，水頭損失大部分由下游相對弱透水的覆蓋層承擔，懸掛式防滲墻只是增長了砂層的滲徑，對于消減覆蓋層承壓水頭是有限的，因此對于滲透變形發生的控制作用較小。

因此，對下游有砂層出露的堤基，水頭損失主要由砂層承擔，懸掛式防滲墻可以有效延長滲徑，將滲透破壞趨勢引向深部砂層，提高地層的抗滲能力，同時有效阻止管涌破壞時上游細顆粒被帶走。但是當下游出口砂層水力坡降超過臨界坡降時，仍會發生局部流土破壞，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，但會造成覆蓋層甚至堤身塌陷，從而發生險情。

在下游滲流出口沒有進行任何處理的情況下，沙沸坡降與臨界坡降都相對較小。在對下流出口進行齒墻處理之后，其流態出現變化，水流變成了垂直出流，使抗滲能力得到提高，在滲透變形的每個階段，坡降都有一定的提高。只是齒墻的貫入度不能過大，過大將使墻前的承壓水頭被抬高。在對下游實行齒墻與反濾處理之后，并沒有產生沙沸現象，而臨界坡降也出現較大提升，只是滲流量出現增加。利用這種處理方式能使堤基的抗滲能力獲得切實的提升。

針對砂層出露工況和覆蓋層很薄的工況，在滲透現象出現初期，上游水位在臨界水位以下部位時，假如此時水位不再上漲，通常情況下不會出現滲透破壞，假如外江水位依然不斷上漲，則須特別注意，為達到搶險目的，要利用沙沸坡降和破壞坡降的空間方法進行。如果覆蓋層屬于較厚的情況，承壓水頭頂穿覆蓋層時，滲流場的臨界水位就會被上游水位超過，此時滲透變形就要發展成滲透破壞，必須認真對待這種險情，迅速投入搶險當中。

總之，在洪水期間堤防發生險情的過程當中堤基透水層滲透破壞是一種較為常見的現象，通過對堤基滲透破壞機理的探討，以及對控制方法的研究，可把握堤基滲透破壞出現的種類及其相應特點，從而采取相應的處理措施，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值模擬［J］.巖土力學，2009(10).

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

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