双层堤基渗流变形特征分析及管涌防治

黄 旭，范 尧，蔡家宏，刘 猛，宋海波，王俊鹏，王其超

(1.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013；2.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250014)

水利工程构筑物双层堤基，是指堤基上覆地层由弱透水性的粘性土和透水性较强的下伏砂砾石组成的一种上细下粗的地质体，其具有明显的二元架构体系，该情况地质条件堤基的渗透破坏类型一般包括：泡泉、沙沸、土层隆起等，也就是通常所称的“管涌”[1]；汛期堤基上游水位升高，当水力梯度超过其临界水力梯度时，堤基地质体上覆弱透水层薄弱处将会被高压水流顶冲，使堤基土层结构发生渗透破坏多出现管涌.据国内现有资料调查统计分析可以治，重大水利工程项目中堤坝溃决发生的基本原因，90%以上是由于堤基结构土体渗流变形不利等因素引发管涌破坏导致的[2].目前，对双层堤基渗流变形特征的研究主要以下伏砂层的研究较多，而对堤基地质体渗透破坏后与之带来的上覆粘性土层的破坏情况研究较少，国内著名研究学者李宁新等在对双层堤基承压水“渗而不流”模式进行研究时发现了高压水头作用下的双层堤基土体破坏条件判别及防渗新思路[3]，刘杰，等[4-5]在对不同水文地质条件的双层堤基进行研究时发现，管涌破坏的发生一定条件下会导致粘性土层的破坏并向堤脚发展，当细颗粒含量大于20%时有利于渗流通道形成，最终将会影响上部土体结构的稳定性.陈建生、何文政，等[6-7]通过对双层堤基的研究初步得出和分析了上覆粘性土层渗透破坏的过程和破坏机理.

本文在深入分析双层堤基特殊水文地质结构的基础上，结合李宁新等人对“渗而不流”模式的创新性认识，初步探讨双层堤基渗流变形特征的地质判别条件以及管涌防治措施.

1 堤基地质结构分类

1.1 分类条件

从堤基建设要求出发，结合堤基上覆粘性土层厚度、地下水渗流条件、堤基土的工程地质特征、外滩宽度、堤内外地形地貌、历史险情等综合分析对堤基进行地质分类.上覆粘性土层越厚，渗流产生破坏的可能性越小，反之越大；围堤外滩宽度大，可增大地下水渗流长度，减少堤后剩余水头；堤外地形地貌以及堤基土体的土层颗粒成分的均匀程度、容重、密度、凝聚力及抗剪强度都是影响堤基产生渗流破坏重要因素.同时历史上有无险情则是堤基质量好坏的直接判别标志[8].

1.2 分类类型

堤防工程设计工作重点是根据不同工程地质条件选择堤基基础型式及埋置深度，其中查明堤基地质体结构类型是提出工程合理治理措施和设计方案的基础和前提条件.本文以山东省重点流域典型河流为例进行分析探讨，山东地区大部分河流水系以黄河流域分属为主，同时还有少部分分属淮河、海河流域，剩余部分为内陆河.受地形地貌影响，不同流域河道发育条件不一，地质条件与堤基地质结构特征也较多样化，将山东地区堤防地基大致分类(见表1).

表1 山东地区堤基地质结构分类表

2 双层堤基渗流特征分析

2.1 双层堤基“渗而不流”水文地质结构特征分析

山东省内大部分堤防修建于沿河一级阶地前缘，阶地下部地层岩性多为卵砾石层，该层分布特征一般沿河纵向发育，阶地后缘尖灭或缺失，周边都是受基岩山丘或者高阶地粘性土层阻隔，地下水动力场形成比较特殊的相对封闭环境.这是堤基地下水系统形成“渗而不流”模式的必备水文地质边界条件(见图1)[3].

图1 双层堤基地下水渗流特征示意图

2.2 “渗而不流”理论探讨与试验模型分析

从以上所述水文地质条件分析可知，双层堤基“渗而不流”受制于封闭的空间系统中，形成一种高承压、缓流动的承压渗流现象，其渗流特征以渗为主，场区内存在强渗透介质及高渗透潜能，无地下水流出区及势能水头消能区.

图2为达西定律水文渗流试验[9]，可知流量试验流量Q与试验测压参数(h3-h4)/L成正比，试验基本公式为Q=K·(h3-h4)/L·A，令I=(h3-h4)/L，得出Q=K·I·A.有试验可知Qout→0，h4趋同于h3，(h3-h4)→0，I→0，近乎静水压力传递，此时渗径L几乎不起作用.这里(h3-h4)→0，就是双层堤基堤内外承压水头几乎相等的试验再现；由V=K·I=Q/A分析可知，如果Q→0，则有V→0.这就是“渗而不流”理论简易试验模型.

图2 达西试验示意图

“渗而不流”模型条件概化下，Q→0，V→0，则hw→0，堤防内外水位近乎相等，势能没有产生明显变化，进而水头损失可以忽略不变，堤后大范围土层承受高承压水头的作用[10].

2.3 双层堤基渗流变形的演变模式

双层堤基土层颗粒自上而下，粒径由细变粗，二元结构特征明显，产生渗透变形的土层结构模式如下：当堤内河水位上涨时，堤外下部砂层中水位势能升高形成堤内水头承压.承压水头在短时间内逐渐增大，增大到一定值时高压水头会顶穿地质体薄弱土层，发生集中管涌、流土等渗流破坏.在渗流动水压力作用下土层含水体形成连贯的地下通道，地质体结构失去拱的作用，致使堤身下陷，产生不同程度的裂缝，任其发展将会导致跨堤溃口[8].

3 双层堤基渗透破坏过程

3.1 渗透的物质条件

粘性土基于渗透条件及其稳定判别的角度分为：分散性粘性土与非分散性粘性土[11].分散性粘性土处于松散状态时遇水后细颗粒之间的粘聚力大部分会消失，非分散性粘性土是粘粒的含量一般大于10%的中高液限的粘质和粉质土，该类型土体在中等密实状态时其渗透系数大小一般小于1×10-4cm/s[12].

3.2 破坏条件

双层堤基在渗透破坏前，粘土层底部的水压力在短时间内失去平衡不断增大，在形成新的水动力平衡前，承压水流在粘土层的薄弱处产生穿孔或者穿缝破坏形成管涌，细颗粒被渗流大量带出，致使粘土层土体有效粘聚力和抗剪强度降低，双层土体结构接触面附近形成了一条强渗流通道.在介质水流的流动作用下使得渗流通道不断向上游发展，致使粘土层与砂层之间产生接触性空缺，随着上游水位的继续升高，上覆土体发生裂缝、裂痕并不断纵向发展扩大，高承压水流通过裂缝不断的往上顶，致使粘土破坏的同时也加速了堤基管涌的发生，上覆土体破坏过程不断向上游发展，最终导致堤基发生整体渗透破坏[6，12].

4 管涌险情的探别与防治

4.1 管涌险情判别与探测

判断管涌险情的程度从以下几个方面分析：管涌口的分布位置、发育规模及涌水、涌砂情况等.管涌发生的主要部位是粘性土覆盖层厚度较薄弱的地方，瞬态瑞雷面波探测对覆盖层分层效果较好，可以结合少量钻探进行管涌探测，以此来查明粘性土覆盖层厚度变化特征及分布情况，进而为预测“管涌”可能发生部位提供可靠的依据[13-14].

4.2 管涌的防治

管涌防治的方法与措施应与工程结构及其他岩土工程措施结合在一起综合考虑，其目的是为防渗及减弱渗透力.常用的办法有如下几种[13-14]：

(1)土质改良

通过土质改良，改善土体结构，提高土的抗剪强度与模量及其整体性，减小其透水性，增强其抗渗透变形能力.常用的办法有注浆法、高压喷射法、搅拌法及冻结法.

(2)截水防渗

截水防渗措施的目的是隔断渗透途径或延长渗径、减小水力梯度.水平方向铺设防渗铺盖，可采用黏土及壤土铺盖、沥青铺盖、混凝土铺盖以及土工膜铺盖.垂直方向防渗的结构形式很多.大坝工程的混凝土、黏土芯墙、高压喷射、劈裂灌浆形成的止水帷幕；基坑及其他开挖工程中广泛使用的地下连续、板桩、MSW工法插筋水泥土墙以及水泥搅拌墙.这些竖向的隔水结构主要是打设在透水层内，其深度根据渗流计算确定.打设在强透水层中时应尽可能深入到不透水层，否则隔渗效果有限.

(3)人工降低地下水位

该方法是最常见的临时防渗措施，在施工期处理管涌、流沙(土)时也常采取这一最简单易行的办法.该方法可以降低水头，或使地下水位降至渗透变形土层以下.在弱透水层中采用轻型井点、喷射井点；在较强的透水层中采用深井法.

(4)出逸边界措施

在下头加盖重，以防止土体被渗透力所悬浮，防止流砂(土).在浸润线出逸段，设置反滤层是防止管涌破坏的有效措施.

(5)其他施工考虑

施工选择枯水期施工，采取水下挖掘及浇筑封底混凝土等施工方法.

5 结 论

双层堤基渗流变形特征是由其特殊的水文地质结构所决定的，堤基下部强透水层连通性较好上游水头升高的同时致使堤基渗流具有明显的静水承压特征，在堤基下游形成一种高承压、缓流动的承压渗流，其水头增大到一定值时，会击穿上覆粘性土薄弱层位，发生集中管涌等渗流破坏.管涌发生的最大范围就是堤后压渗控制层的最大水平范围，也是堤后强渗流场透水层分布范围，粘性土盖层的薄弱部位是发生管涌破坏的最可能部位.通过明确双层堤基水文地质条件、渗流结构特征以及土体渗透破坏发生管涌的险情探别，提出科学、合理的防治措施，为及时做好管涌的防治工作具有指导意义.