八岔段堤防工程滲透系數室內試驗

李治軍，高淑琴，高　宇，謝世堯，陳澤希

(1.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學 寒區地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.太原科技大學，山西 太原 030000)

?

八岔段堤防工程滲透系數室內試驗

李治軍1,2，高淑琴3，高宇1,2，謝世堯1,2，陳澤希1,2

(1.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學 寒區地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.太原科技大學，山西 太原 030000)

堤防的滲透破壞可以分為壩基滲漏和壩身滲漏，其中壩身滲漏的重要影響因素之一就是壩身的滲透系數。文章以黑龍江干流堤防八岔段工程為例，通過室內滲透試驗，得出壩身的平均滲透系數。以此為依據得出結論，認為該堤壩透水性較弱，防滲性良好。

堤防；八岔；滲透系數；試驗

滲透破壞在堤防工程中非常普遍，河流堤防決口，大多與堤防土體的滲透破壞有關。隨著汛期河水位的不斷升高，堤防內外河水位與地下水位的水力坡度也逐漸增大。當水力坡度達到臨界值時，堤防便開始發生滲透破壞。堤防滲透破壞的發生，除了與水文因素有關外，還與堤防本身的透水性有關，即滲透系數[1-3]。

1　堤防滲透破壞分析

堤防滲透破壞在堤防工程中非常普遍，滲透產生的原因是堤防的臨水側和背水側存在水頭差，產生滲流引起。隨著汛期水位的升高，堤身內的浸潤線逐步形成并不斷提高，堤基和堤身內的滲透比降也逐漸增大，土體將產生滲透破壞。

滲透破壞根據發生的部位不同，可以分為堤基破壞和堤身破壞[4-9]。

1.1堤身滲透破壞

堤身的滲透破壞包括三種類型：滲水造成的堤坡沖刷、漏洞和集中滲流造成的接觸沖刷。

堤坡沖刷是由背水堤坡滲水所致。一種是堤坡的出逸比降大于允許比降而產生的滲透破壞；另一種是滲水集中后造成對坡面的水流沖刷。

堤防背水坡及堤腳附近出現橫貫堤身的流水孔洞稱為漏水洞。由于漏水洞中的集中水流對土體的沖刷力很強，因此對堤防的危害性極大[10-12]。

當堤身發生集中滲流且沖刷力大于土體的抗滲強度時，在集中滲流處就會產生接觸沖刷破壞。

1.2堤基滲透破壞

堤基的滲透破壞常表現為管涌。一般來講，堤防堤基的表土層一般極少是砂礫層，因此，堤基的滲透破壞一般均為土力學中的流土破壞。產生的原因是隨著汛期水位的升高，背水側堤基的滲透出逸比降增大，一旦超過堤基的抗滲臨界比降就會產生滲透破壞。滲透破壞首先在堤基的薄弱環節出現。

綜上所述，根據堤防的滲透破壞類型可以看出，堤防的滲透破壞多與堤防本身的透水性有關，透水性越好，堤防的滲透破壞越嚴重。而反映堤防透水性強弱的指標，常用滲透系數來表示。本文擬通過室內試驗的方法，探討確定堤防滲透系數的可行性[13-14]。

2　堤防滲透研究進展

2.1堤防滲透穩定性定量計算研究進展

經查閱相關文獻，關于堤防滲透穩定性分析方面，2000年以前， 主要以理論分析為主，2000年以后，定量評價開始廣泛應用。

邢萬波等[15]基于有限元法，模擬堤防場地土層實際分布情況，計算洪水位下運行堤防背水面水力坡降，對板橋河堤防滲透破壞風險進行了分析研究。雷鵬等[16]以有限元法分析為基礎，結合LHS-MC方法，計算堤防的最大水力坡降，分析不同水位條件下的滲透破壞概率。高昂等[17]將BP網絡和Monte Carlo法相結合，利用有限元技術，建立了堤防滲透破壞模型，分析堤防滲流穩定可靠度。彭博[18]建立了滲透破壞水土耦合的動力學模型,對堤防滲透破壞過程進行了描述。敬晨等[19]以有限元技術為基礎，利用Autobank軟件，計算分析堤防滲流穩定問題。倪小東[20]采用有限差分法，建立堤防三維離散-連續耦合模型，模擬分析堤防工程滲透變形問題。

2.2堤防滲透破壞試驗研究進展

關于堤防滲透破壞的試驗研究，主要在近幾年逐步發展起來。

趙敬川等[21]設計了一種堤防工程滲透破壞發展過程的模型試驗裝置，可模擬堤防各種水力梯度下的滲透破壞發展過程。周曉智等[22]設計了一種研究土體滲透破壞發展的多功能試驗裝置，模擬堤基在不同水頭下的滲流以及滲透破壞，并能夠得到相應的滲流場。梁越等[23]利用自主研發的滲透破壞實驗裝置，研究了細顆粒含量、細顆粒組成以及干密度等對散粒土滲透破壞特性的影響,得到了試樣滲透破壞過程中滲流流速、臨界水力梯度、滲透系數等的變化規律。

3　堤身透水性試驗分析

滲透系數測定的室內方法主要為滲透試驗。試驗是在裝有沙的圓筒中進行的(圖1)。水由筒的上端加入，流經土柱，由下端流出。上游用溢水設備控制水位，使試驗過程中水頭始終保持不變。在圓筒的上下端各設一根測壓管，分別測定上下兩個過水斷面的水頭。下端出口處測定流量。

圖1　滲透試驗裝置示意圖

根據達西定律，得到下列關系式：

(1)

進而得到滲透系數:

(2)

式中：Q為滲透流量，cm3/d；ω為過水斷面面積，cm2；H1、H2為上、下游過水斷面的水頭，cm；L為上、下游過水斷面的距離，cm；I為水力梯度；K為滲透系數，cm/s。

4　試驗步驟

本次試驗以八岔段堤防工程實際土樣為試驗樣本，采用70型滲透儀進行滲透試驗。

首先，按圖1所示裝好儀器，并檢查各接頭處是否漏水，將調解試管與供水管連通，從儀器底部開始充水至水位略高于金屬孔板。然后，將試樣分層(每層厚約2～3 cm)裝入滲透儀內，每層均用搗棒輕輕搗實，以控制孔隙比，如試樣含有細粒的黏性土，則應在金屬網上鋪上一層粗沙(厚約2 cm)作為緩沖層，以防細顆粒被水沖走，并量出過渡層厚度。如此繼續分層裝入試樣并使之飽和，直至試樣裝到高出上測壓孔3～4 cm為止，最后在試樣上部放約2～3 cm厚的礫石作為緩沖層，以防供水時沖刷試樣。

試樣裝好后，緩慢地打開管夾，使水流由儀器底部向上滲透，使試樣逐漸飽和，并保持水面不高出試樣頂面。

將調節管管口位于試樣上部2/3高度處，使滲透儀內產生水位差，水即通過試樣發生滲透，經調節管流出，并保持水位不變。當測壓管水位穩定后，記錄測壓管水位值，并計算各測壓管間的水位差，同時測量一定時間內的出水量。

5　試驗數據整理分析

試驗過程中，由于試樣粒徑較小，經常堵塞測壓管，對試驗結果造成一定的影響；另外，試驗與儀器壁中間存在空隙，水流通過空隙進行滲流，對試驗結果也有一定的影響。因此，試驗觀測數據存在誤差。經多次試驗后，試驗數據整理見表1。

表1　滲透試驗計算成果表

將表1中的實測數據，代入公式(2)中，最終計算出試樣的平均滲透系數為3.84×10-6cm/s，透水性微弱。

6　結　論

通過對八岔段堤防工程土樣進行滲透試驗，根據試驗結果，初步計算出試樣的滲透系數為3.84×10-6cm/s，透水性微弱。此結果存在一定的誤差，可以通過改進試驗設備，減小儀器誤差。同時，由于采樣點比較分散，結果的代表性有待于進一步分析。綜上所述，建議在確定堤防的滲透系數時，可以采用原位試驗、室內試驗及數學計算等多種方法來共同驗證。

[1]劉昌軍,張順福,祖雷鳴,等. 黑龍江干流同撫大堤八岔段潰堤情況及原因分析[J]. 中國防汛抗旱,2013(5):8-9.

[2]曹振宇,曹越,吳明官. 黑龍江中下游2013年特大洪水重現期分析[J]. 黑龍江水利科技,2014(9):56-59.

[3]張紅萍,劉舒,胡昌偉,等 黑龍江同撫堤潰堤洪水淹沒及退水過程分析[J]. 中國防汛抗旱,2015(1):65-69.

[4]王換麗. 黑龍江黑河—撫遠段塌岸地質災害遙感動態監測研究[D].長春:吉林大學,2012.

[5]楊浩. 峽江庫區土工檢測數據分析及堤防滲流的數值模擬研究[D].南昌：南昌大學,2014.

[6]張瑜. 基于Fluent的堤防工程滲流場數值分析[D].太原：太原理工大學,2013.

[7]李曙光. 堤防工程除險加固措施研究[D].合肥：合肥工業大學,2010.

[8]戴春勝. 黑龍江干流撫遠江段江道整治工程數學模型分析研究[D].哈爾濱：東北農業大學,2003.

[9]姜秋香. 三江平原水土資源承載力評價及其可持續利用動態仿真研究[D].哈爾濱：東北農業大學,2011.

[10] 陳百忠,梁書艷. 松花江干流依蘭段堤防消險加固有關問題的探討[J]. 水利天地,2006(8):10-11，46.

[11] 馬更富. 黑河市江段堤防現狀問題及對策[J]. 東北水利水電,1996(2):33-34，48.

[12] 陳權,王克國,翟小麗. 淺析加快嫩江堤防工程建設速度的技術措施[J]. 黑龍江水利,2015,1(4):48-52.

[13] 金幫琳 ,龐津. 松花江干流堤防工程設計初探及對策[J]. 水利天地,2003(3):40-41.

[14] 李興學,賈汀,李云鶴,等. 2013年嫩江松花江黑龍江流域防汛抗洪思考[J]. 中國水利,2014(15):37-40.

[15] 邢萬波,徐衛亞,魏文白,等.板橋河左岸堤防滲透破壞風險分析[J].巖土力學,2006(8):1272-1276.

[16] 雷鵬，陳曉偉，張貴金, 等.基于LHS-MC的堤防滲透破壞風險分析[J].人民黃河,2014(10):45-47.

[17] 高昂,蘇懷智.基于BP網絡和Monte Carlo法相結合的堤防滲流穩定可靠度分析[J].中國農村水利水電,2014(6):161-163.

[18] 彭博.堤基滲透破壞水土耦合模型和機理研究[D].北京：中國科學院，2015.

[19] 敬晨,李鵬飛.Autobank軟件在堤防滲流穩定計算中的應用[J].黑龍江水利科技,2015(11):48-50.

[20] 倪小東,朱春明,王媛.基于三維離散-連續耦合方法的堤防工程滲透變形數值模擬方法[J].土木工程學報,2015(6):161-165.

[21] 趙敬川,陳亮,詹瀘成,等.一種堤防工程滲透破壞發展過程的模型試驗裝置:CN203096683U[P]. 2013-07-31.

[22] 周曉智,孫杰,袁磊,等.一種研究土體滲透破壞發展的多功能試驗裝置:CN203949915U[P]. 2014-11-19.

[23] 梁越,曾超,儲昊,等.散粒土滲透破壞判別方法試驗研究[J].人民長江,2015(9):75-79.

Permeability coefficient of levee engineering of Bacha through laboratony tests

LI Zhijun1,2,GAO Shuqin3,GAO Yu1,2,XIE Shiyao1,2,CHEN Zexi1,2

(1.HeilongjiangUniversityCollegeofWaterConservancy&Electric-power，Harbin150080,China;2.HeilongjiangUniversityInstituteofFrigidZoneGroundwater，Harbin150080,China;3.TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030000,China)

The seepage failure of the embankment can be categorized into the seepage of its base and body. One of the important factors that affect the seepage of the embankment body is its seepage coefficient. Taken the Bacha project as an example, the mean seepage coefficient has been worked out in this paper by indoor seepage tests, based on which the conclusion that the embankment has low water permeability and high impermeability has been reached.

embankment; Bacha; seepage coefficient; tests

黑龍江省三江工程建設管理局項目(HGZL/KY-02)

李治軍(1978-)，男，講師，主要從事寒區地下水滲流方向的教學和研究工作。

TU441.4

A

2096-0506(2016)09-0031-04