某堤防工程渗透分析及防渗措施研究

李 磊，王亚妮，程华进，谷 静

（1.水发规划设计有限公司，山东 济南 250014；2.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005）

在水位较高的地区修建堤防工程时，土体的渗透破坏是最为常见的工程隐患[1]。诸多学者对堤防渗透稳定进行了研究，取得了一些共识[2，3]。做好堤防工程的防渗工作是非常必要的。近年来，随着堤防工程的日益增多，堤防渗水事故时有发生，其中相当一部分原因是施工水平和防渗结构设计不合理。在水资源丰富的平原地区，防渗这项工作就更加重要，如果设计不当就会出现漏水情况，对工程稳定造成较大的影响，甚至发生工程事故，造成生命财产损失。

从堤防工程渗透破坏发生的机理来看，可以将破坏形式归为管涌和流土[4]。流土一般发生在黏性土和无黏性土中，管涌一般发生在级配不连续的砂性土中。堤防工程的防渗加固主要是通过一些工程措施来防止管涌和流土的发生。目前，在堤防工程中，主要的防渗措施有灌浆、防渗墙、培土加固等。这些方法各有优缺点，在工程实践中都有较多的应用。本文结合某堤防工程，通过数值计算，评价了堤防的渗透稳定性，并为该堤防选取了防渗措施，可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

某堤防工程位于长江南岸，堤防工程原地面标高为4～7 m。根据工程的地质勘查和现场实地调查，在曾经发生过险情区域选取典型断面进行渗透稳定分析。

堤顶高程为14.5 m，计算堤防典型断面剖面如图1所示。

图1 堤防典型断面

根据地址勘察报告，堤防工程范围内土层分布比较均匀，由室内土工试验和原位测试结果计算区域内各分区材料的主要参数，详见表1。

表1 各土层主要物理力学参数汇总

2 土体渗透破坏评价理论

堤防工程中某处的水力坡降大于土体的允许水力坡降时，土体就会发生渗透破坏。从宏观上来看这是水流对整个堤防工程土体的作用，微观层面这是指渗透的水流对土体颗粒的作用，即渗透力。单位体积的土体沿着渗流发生方向所受到的渗透力可用下式计算[5，6]：

式中：i为水力梯度；rw为水的容重（kN·m3）。

当水流的渗透力大于土体颗粒间的黏聚力和内摩擦力时，土体就会发生渗透破坏[7]，此时的水力梯度称为临界水力梯度。

临界水力梯度是判别土体颗粒渗透稳定与否的标准，依照《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-2008）附录M土的渗透变形判别标准，参照M.0.2条对研究区域内堤坝土层进行判别，下游出口段无保护情况下允许水力梯度值详见表2。

表2 下游出口段无保护情况下允许水力梯度

3 渗流计算与评价

3.1 计算参数

进行土体的饱和非饱和渗流分析，土壤水分特征曲线和渗透性函数必须已知[8，9]。如果此类试验资料缺失时，土水曲线和渗透性函数可以使用数学函数拟合。本文计算分析过程中所使用的土水曲线是根据文献[10]的方法类比得出的，渗透性函数可根据Van Genuchten方法[11]推求。

3.2 计算工况

渗流计算选取了垂直水流方向的典型剖面，如图1所示，堤防上游侧水位视作定水头边界，计算时选取极端水位12.5 m，堤防下游侧边界条件视作自由渗透边界。防渗措施视为不透水层，渗透系数选取一个较小值，具体为1×10-9cm/s。对现状堤防工程和增加防渗措施后的堤防工程渗流场进行了计算。

3.3 堤防渗透稳定评价

无防渗措施时，渗流计算结果如图2所示。根据渗流分析结果，对堤防的渗透稳定评价，结果详见表3。由表3可知，在顺水流方向，如果没有防渗措施，堤防下游坡面会处于不稳定状态，可能会出现流土，必须增加防渗措施以确保工程安全。

图2 无防渗措施渗流场

表3 渗透稳定计算结果汇总

3.4 防渗措施设计

无防渗措施时，堤防下游坡面会处于不稳定状态。因此，必须采取防渗措施，确保土体不发生渗透破坏。考虑到堤防工程已经完建很久，初步选择下游坡面培土加固和防渗墙2种方案。对2种防渗措施下的渗流场进行了计算分析，通过比较确定最优防渗方案。

3.5计算结果与分析

3.5.1 不同防渗措施对比

为了确定最优堤防工程防渗加固方案，分别基于培土加固和防渗墙2种情况进行渗流场计算。培土加固方案为上游侧保持现状，堤防下游侧坡面由1∶2.5的坡比培厚加固至1∶3。防渗墙处理深度为16.5 m，距离上游坡顶2 m处。2种处理方法的计算结果，详见表4。从计算结果可以看出，下游培土加固方案可以显著减小单宽流量，但溢出面的水力梯度有明显增加，对渗透稳定是不利的。防渗墙方案既可以减小单宽流量，又可以减小水力梯度。新增防渗墙的方案防渗效果优于培土加固方案，本着工程安全的原则，堤防防渗加固采用防渗墙防渗措施。

表4 培土加固和防渗墙方案效果对比

3.5.2 防渗墙长度的影响

对于防渗墙防渗措施，进行了不同防渗墙长度的渗流场计算，结果如图3—8所示，不同防渗墙长度渗流场计算结果汇总详见表5。

图3 防渗墙长度为12.5 m的渗流场

图4 防渗墙长度为14.5 m的渗流场

图6 防渗墙长度为18.5 m的渗流场

图7 防渗墙长度为20.5 m的渗流场

图8 防渗墙长度为22.5 m的渗流场

表5 不同长度防渗墙防渗效果计算汇总

由计算结果可知，当防渗墙长度达到16.5 m之后，溢出面最大水力梯度小于允许水力梯度值，满足渗流稳定要求。防渗墙长度渗流场的影响是非常明显的。因此，确定合理的防渗墙长度对堤防工程的渗透稳定性非常重要。对于本文的计算分析情况，防渗墙长度为16.5～22.5 m时，渗流场变化不大；当防渗墙长度小于16.5 m以后，渗流场发生明显变化，浸润线位置明显抬高。这主要是由堤防土层的渗透性决定的，计算范围内土层主要由3层渗透性不同的土组成，上下为渗透性较好的土层，中间夹渗透性较差的淤泥质重粉质壤土层。当防渗墙长度为16.5～22.5 m时，已穿过渗透性较好的粉砂层，进入下面渗透性差的土层，因此渗流场基本上没什么变化，再增加防渗墙长度就显得没有必要；当防渗墙长度为16.5 m时，防渗墙端刚好在透水层与下层分界处，渗流场发生了一定的变化，浸润线微弱抬高；当防渗墙长度小于16.5 m时，防渗墙端在渗透性较好的土层内，渗流场发生了显著的变化，浸润线抬高较明显。

通过以上分析，防渗墙长度应穿过渗透性较好的土层，这样才能起到较好的防渗效果，有利于堤防边坡的稳定；同时也不宜太长，太长不仅浪费材料增加施工难度，效果也不会更好，因此防渗墙长度最佳设为16.5 m。

4 结论

堤防工程渗透破坏往往会产生严重的安全隐患。本文对某堤防工程进行了渗透破坏评价，并在此基础上对边坡防渗措施设计进行了讨论，得到如下主要结论。

（1）现有堤防工程在没有新增防渗措施情况下是不安全的，会出现渗透破坏（流土）。

（2）下游培土加固方案会使溢出面的水力梯度增加，对渗透稳定是不利的。应选择防渗墙方案作为防渗加固方案。

（3）防渗墙长度对渗流场影响显著，防渗墙应穿过透水层，这样才能发挥较好的防渗效果，有利于堤防边坡的稳定；同时也不宜太长，太长不仅浪费材料增加施工难度，效果也不会更好，因此防渗墙长度最佳应设为16.5 m。