堤基渗透破坏机理及控制方法探讨

侯继祥

(白城市水利勘测设计院，吉林 白城 137000)

我国地域辽阔，拥有大量的河流湖泊，由于自然因素和地理因素复杂多样，一直存在着大量的洪涝灾害，给国民的生命财产带来了严重威胁，也不利于社会经济的发展。解放以来，历经多年努力和治理，我国已经初步建成长江和黄河等七大江河防洪工程，在一定程度上保障了社会稳定发展。依据长期防洪实践工作，我国当前建成的堤防长度共25万km，主要堤防7万km。因为历史因素和地质条件等因素的影响，当前建成的堤防工程在遇有高洪水期时，依然会出现管涌、滑坡和漫溢等危险情况。

1 渗透破坏基本概念

所谓渗流就是指流体在岩土缝隙当中的流动现象［1］，而渗透变形主要指的是土体在渗流影响下发生破坏的不同形式，大多情况下可以分为流土、管涌和接触冲刷、接触流土四种形式，堤防工程一般情况下具有下面几种特点:

(1)因为堤防工程都位于江河沿岸，堤基会存在较厚的砂层，会经常出现渗透现象，给治理工作带来很大困难。

(2)一般情况下堤防具有较长的线路并且存在较大的地形变化，通常情况下可以分为单元结构、二元结构和多元结构地层，堤段不同地层结构不同，渗流场特点也会存在不同，要依据实际工程进展情况分段进行研究。

(3)堤防是在很长时期内建设而成的，在构筑堤防时一般情况下都是就近取土，堤身质量不能保证，堤身后面存在大量的沟塘，堤基渗流场是空间三维渗流问题，因此在进行研究时要采用恰当的方法［2］。

2 室内砂槽模型试验研究

在实际施工过程中常常是多种因素共同作用才会导致出现渗透破坏现象，情况非常复杂，随机性很高，只依靠理论研究很难解决问题。运用试验和理论研究相结合的方法解决问题。

2.1 试验设备

对试验用的砂槽模型箱做框架支护，将厚度为10mm的有机玻璃安装于模型槽的四周，便于试验过程中对试验现象做即时观察，同时可有效预防模型槽在水压过大的情况下发生变形。试验所用砂样通常选择原型天然材料，以确保实验模型保持同实际水力坡降及材料具有相等的抗渗强度。对试验结果展开研究时的无量纲量为水力坡降，做比较分析过程中利用浮托力与压重采用和比值，亦为无量纲量，故此模型比尺不会产生任何影响。在渗透变形过程中，水流将于层流和紊流这两种状态之间进行转换，无法对流量比尺进行确定，故只能进行相对趋势的研究，无法做绝对值的换算。

2.2 试验方法

在堤防防渗加固时，通常采用的一种方法就是填砂压渗［3］。覆盖层盖重对渗透破坏产生的影响可经试验确定。在试验中，通常应用塑料薄膜加砂压重的试验方法来模拟覆盖层，调整覆盖层压重的方法是使砂层厚度发生变化，在这个过程中观察覆盖层盖重对渗透破坏产生的影响，试验通过开槽的方式设置下游出口。

设渗透破坏前盖重与浮托力的比值为:

试验中当压盖砂厚100mm时，渗透破坏前实测薄膜底平均承受水位差170mm，此时η=1.059。

在试验过程中，当砂压重为100mm时，达到临界工况。覆盖砂在100mm之下时，破坏产生之前，覆盖层将被顶托，这体现出工程在实际施工中存在的“牛皮胀”现象，产生的渗透破坏类型是接触冲刷破坏;在覆盖砂达到100mm以上时，将产生流土破坏。在进行试验过程中，压重砂的厚度不同，其所对应的出现渗透破坏时的薄膜底部所承受的平均水头的比值也不同，具体如图1。

图1 压盖砂厚度与盖重和浮托力比值关系图

由于随着压重砂厚度增大，破坏时水头差也增加，因此相应的盖重与浮托力比值并不呈线性增长关系。试验成果分析中以η≈1的压重100mm作为基准，盖重安全系数为K=ti/t100，式中:ti为不同试验压重砂的厚度，t100为压重砂厚度100mm。不同压重工况下渗流各阶段的水平坡降见图2，出口坡降见图3。

图2 盖重安全系数与水平水力坡降关系图

3 试验结果

通过试验可以看出，与压重提高相伴的是，试验砂的沙沸坡降在增大，临界坡降在增大，破坏坡降也呈现增大的趋势。当沙沸水平坡降处于0.10～0.36时临界水平坡降是0.19～0.40，破坏水平坡降是0.22～0.41。当沙沸出口坡降处于0.53～0.96时，临界出口坡降则是0.59～1.10。这时的出口坡降要高于水平坡降。在压重安全系数超过1.0时，沙沸出口坡降达到0.8左右，这里的临界出口坡降达到1.0左右，这个数值同用太沙基公式所计算出的垂向流土的临界坡降近似。

图3 盖重安全系数与出口水力坡降关系图

制样存在的不均匀性，导致渗流初期的沙沸坡降具有较大的离散性，在渗流后期，临界坡降与破坏坡降则具有相对小的离散性。与压重增加相伴的是，沙沸坡降出现小幅的增加，而临界坡降则出现大幅增加，沙沸水平坡降同临界水平坡降之间出0.05～0.1的差距，同破坏水平坡降对比相，则有0.1左右的差距。与压重增长相伴的是沙沸坡降和临界坡降间差值在增加，体现出压重对渗透变形具有相对小的影响，但对渗透变形将产生相对大的控制作用。

对于下游砂层出露的堤基，试验结果表明，随着悬挂式防渗墙截渗深度的增加，等效渗径不断增长，抵抗水头也不断增大，防渗效果明显。但由于水头损失主要由防渗墙段承担，整体承压水头增大，防渗墙下游的渗透破坏坡降反而降低。而对于下游无砂层出露的堤基，水头损失大部分由下游相对弱透水的覆盖层承担，悬挂式防渗墙只是增长了砂层的渗径，对于消减覆盖层承压水头是有限的，因此对于渗透变形发生的控制作用较小。

因此，对下游有砂层出露的堤基，水头损失主要由砂层承担，悬挂式防渗墙可以有效延长渗径，将渗透破坏趋势引向深部砂层，提高地层的抗渗能力，同时有效阻止管涌破坏时上游细颗粒被带走。但是当下游出口砂层水力坡降超过临界坡降时，仍会发生局部流土破坏，虽然由于悬挂式防渗墙的限制，上下游难以形成贯通的破坏通道，但会造成覆盖层甚至堤身塌陷，从而发生险情。

在下游渗流出口没有进行任何处理的情况下，沙沸坡降与临界坡降都相对较小。在对下流出口进行齿墙处理之后，其流态出现变化，水流变成了垂直出流，使抗渗能力得到提高，在渗透变形的每个阶段，坡降都有一定的提高。只是齿墙的贯入度不能过大，过大将使墙前的承压水头被抬高。在对下游实行齿墙与反滤处理之后，并没有产生沙沸现象，而临界坡降也出现较大提升，只是渗流量出现增加。利用这种处理方式能使堤基的抗渗能力获得切实的提升。

针对砂层出露工况和覆盖层很薄的工况，在渗透现象出现初期，上游水位在临界水位以下部位时，假如此时水位不再上涨，通常情况下不会出现渗透破坏，假如外江水位依然不断上涨，则须特别注意，为达到抢险目的，要利用沙沸坡降和破坏坡降的空间方法进行。如果覆盖层属于较厚的情况，承压水头顶穿覆盖层时，渗流场的临界水位就会被上游水位超过，此时渗透变形就要发展成渗透破坏，必须认真对待这种险情，迅速投入抢险当中。

总之，在洪水期间堤防发生险情的过程当中堤基透水层渗透破坏是一种较为常见的现象，通过对堤基渗透破坏机理的探讨，以及对控制方法的研究，可把握堤基渗透破坏出现的种类及其相应特点，从而采取相应的处理措施，以有效保证堤防的安全，提升堤防加固能力和防洪决策水平。

［1］周晓杰，介玉新，李广信.基于渗流和管流耦合的管涌数值模拟［J］.岩土力学，2009(10).

［2］王保田，陈西安.悬挂式防渗墙防渗效果的模拟试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2008(S1).

［3］刘杰，谢定松，崔亦昊.江河大堤双层地基渗透破坏机理模型试验研究［J］.水利学报，2008(11).