雙層堤基滲流變形特征分析及管涌防治

黃 旭，范 堯，蔡家宏，劉 猛，宋海波，王俊鵬，王其超

(1.山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 250013；2.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟南 250014)

水利工程構(gòu)筑物雙層堤基，是指堤基上覆地層由弱透水性的粘性土和透水性較強的下伏砂礫石組成的一種上細下粗的地質(zhì)體，其具有明顯的二元架構(gòu)體系，該情況地質(zhì)條件堤基的滲透破壞類型一般包括：泡泉、沙沸、土層隆起等，也就是通常所稱的“管涌”[1]；汛期堤基上游水位升高，當(dāng)水力梯度超過其臨界水力梯度時，堤基地質(zhì)體上覆弱透水層薄弱處將會被高壓水流頂沖，使堤基土層結(jié)構(gòu)發(fā)生滲透破壞多出現(xiàn)管涌.據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有資料調(diào)查統(tǒng)計分析可以治，重大水利工程項目中堤壩潰決發(fā)生的基本原因，90%以上是由于堤基結(jié)構(gòu)土體滲流變形不利等因素引發(fā)管涌破壞導(dǎo)致的[2].目前，對雙層堤基滲流變形特征的研究主要以下伏砂層的研究較多，而對堤基地質(zhì)體滲透破壞后與之帶來的上覆粘性土層的破壞情況研究較少，國內(nèi)著名研究學(xué)者李寧新等在對雙層堤基承壓水“滲而不流”模式進行研究時發(fā)現(xiàn)了高壓水頭作用下的雙層堤基土體破壞條件判別及防滲新思路[3]，劉杰，等[4-5]在對不同水文地質(zhì)條件的雙層堤基進行研究時發(fā)現(xiàn)，管涌破壞的發(fā)生一定條件下會導(dǎo)致粘性土層的破壞并向堤腳發(fā)展，當(dāng)細顆粒含量大于20%時有利于滲流通道形成，最終將會影響上部土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.陳建生、何文政，等[6-7]通過對雙層堤基的研究初步得出和分析了上覆粘性土層滲透破壞的過程和破壞機理.

本文在深入分析雙層堤基特殊水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合李寧新等人對“滲而不流”模式的創(chuàng)新性認識，初步探討雙層堤基滲流變形特征的地質(zhì)判別條件以及管涌防治措施.

1 堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類

1.1 分類條件

從堤基建設(shè)要求出發(fā)，結(jié)合堤基上覆粘性土層厚度、地下水滲流條件、堤基土的工程地質(zhì)特征、外灘寬度、堤內(nèi)外地形地貌、歷史險情等綜合分析對堤基進行地質(zhì)分類.上覆粘性土層越厚，滲流產(chǎn)生破壞的可能性越小，反之越大；圍堤外灘寬度大，可增大地下水滲流長度，減少堤后剩余水頭；堤外地形地貌以及堤基土體的土層顆粒成分的均勻程度、容重、密度、凝聚力及抗剪強度都是影響堤基產(chǎn)生滲流破壞重要因素.同時歷史上有無險情則是堤基質(zhì)量好壞的直接判別標志[8].

1.2 分類類型

堤防工程設(shè)計工作重點是根據(jù)不同工程地質(zhì)條件選擇堤基基礎(chǔ)型式及埋置深度，其中查明堤基地質(zhì)體結(jié)構(gòu)類型是提出工程合理治理措施和設(shè)計方案的基礎(chǔ)和前提條件.本文以山東省重點流域典型河流為例進行分析探討，山東地區(qū)大部分河流水系以黃河流域分屬為主，同時還有少部分分屬淮河、海河流域，剩余部分為內(nèi)陸河.受地形地貌影響，不同流域河道發(fā)育條件不一，地質(zhì)條件與堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征也較多樣化，將山東地區(qū)堤防地基大致分類(見表1).

表1 山東地區(qū)堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類表

2 雙層堤基滲流特征分析

2.1 雙層堤基“滲而不流”水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征分析

山東省內(nèi)大部分堤防修建于沿河一級階地前緣，階地下部地層巖性多為卵礫石層，該層分布特征一般沿河縱向發(fā)育，階地后緣尖滅或缺失，周邊都是受基巖山丘或者高階地粘性土層阻隔，地下水動力場形成比較特殊的相對封閉環(huán)境.這是堤基地下水系統(tǒng)形成“滲而不流”模式的必備水文地質(zhì)邊界條件(見圖1)[3].

圖1 雙層堤基地下水滲流特征示意圖

2.2 “滲而不流”理論探討與試驗?zāi)Ｐ头治?/h3>

從以上所述水文地質(zhì)條件分析可知，雙層堤基“滲而不流”受制于封閉的空間系統(tǒng)中，形成一種高承壓、緩流動的承壓滲流現(xiàn)象，其滲流特征以滲為主，場區(qū)內(nèi)存在強滲透介質(zhì)及高滲透潛能，無地下水流出區(qū)及勢能水頭消能區(qū).

圖2為達西定律水文滲流試驗[9]，可知流量試驗流量Q與試驗測壓參數(shù)(h3-h4)/L成正比，試驗基本公式為Q=K·(h3-h4)/L·A，令I(lǐng)=(h3-h4)/L，得出Q=K·I·A.有試驗可知Qout→0，h4趨同于h3，(h3-h4)→0，I→0，近乎靜水壓力傳遞，此時滲徑L幾乎不起作用.這里(h3-h4)→0，就是雙層堤基堤內(nèi)外承壓水頭幾乎相等的試驗再現(xiàn)；由V=K·I=Q/A分析可知，如果Q→0，則有V→0.這就是“滲而不流”理論簡易試驗?zāi)Ｐ?

圖2 達西試驗示意圖

“滲而不流”模型條件概化下，Q→0，V→0，則hw→0，堤防內(nèi)外水位近乎相等，勢能沒有產(chǎn)生明顯變化，進而水頭損失可以忽略不變，堤后大范圍土層承受高承壓水頭的作用[10].

2.3 雙層堤基滲流變形的演變模式

雙層堤基土層顆粒自上而下，粒徑由細變粗，二元結(jié)構(gòu)特征明顯，產(chǎn)生滲透變形的土層結(jié)構(gòu)模式如下：當(dāng)?shù)虄?nèi)河水位上漲時，堤外下部砂層中水位勢能升高形成堤內(nèi)水頭承壓.承壓水頭在短時間內(nèi)逐漸增大，增大到一定值時高壓水頭會頂穿地質(zhì)體薄弱土層，發(fā)生集中管涌、流土等滲流破壞.在滲流動水壓力作用下土層含水體形成連貫的地下通道，地質(zhì)體結(jié)構(gòu)失去拱的作用，致使堤身下陷，產(chǎn)生不同程度的裂縫，任其發(fā)展將會導(dǎo)致跨堤潰口[8].

3 雙層堤基滲透破壞過程

3.1 滲透的物質(zhì)條件

粘性土基于滲透條件及其穩(wěn)定判別的角度分為：分散性粘性土與非分散性粘性土[11].分散性粘性土處于松散狀態(tài)時遇水后細顆粒之間的粘聚力大部分會消失，非分散性粘性土是粘粒的含量一般大于10%的中高液限的粘質(zhì)和粉質(zhì)土，該類型土體在中等密實狀態(tài)時其滲透系數(shù)大小一般小于1×10-4cm/s[12].

3.2 破壞條件

雙層堤基在滲透破壞前，粘土層底部的水壓力在短時間內(nèi)失去平衡不斷增大，在形成新的水動力平衡前，承壓水流在粘土層的薄弱處產(chǎn)生穿孔或者穿縫破壞形成管涌，細顆粒被滲流大量帶出，致使粘土層土體有效粘聚力和抗剪強度降低，雙層土體結(jié)構(gòu)接觸面附近形成了一條強滲流通道.在介質(zhì)水流的流動作用下使得滲流通道不斷向上游發(fā)展，致使粘土層與砂層之間產(chǎn)生接觸性空缺，隨著上游水位的繼續(xù)升高，上覆土體發(fā)生裂縫、裂痕并不斷縱向發(fā)展擴大，高承壓水流通過裂縫不斷的往上頂，致使粘土破壞的同時也加速了堤基管涌的發(fā)生，上覆土體破壞過程不斷向上游發(fā)展，最終導(dǎo)致堤基發(fā)生整體滲透破壞[6，12].

4 管涌險情的探別與防治

4.1 管涌險情判別與探測

判斷管涌險情的程度從以下幾個方面分析：管涌口的分布位置、發(fā)育規(guī)模及涌水、涌砂情況等.管涌發(fā)生的主要部位是粘性土覆蓋層厚度較薄弱的地方，瞬態(tài)瑞雷面波探測對覆蓋層分層效果較好，可以結(jié)合少量鉆探進行管涌探測，以此來查明粘性土覆蓋層厚度變化特征及分布情況，進而為預(yù)測“管涌”可能發(fā)生部位提供可靠的依據(jù)[13-14].

4.2 管涌的防治

管涌防治的方法與措施應(yīng)與工程結(jié)構(gòu)及其他巖土工程措施結(jié)合在一起綜合考慮，其目的是為防滲及減弱滲透力.常用的辦法有如下幾種[13-14]：

(1)土質(zhì)改良

通過土質(zhì)改良，改善土體結(jié)構(gòu)，提高土的抗剪強度與模量及其整體性，減小其透水性，增強其抗?jié)B透變形能力.常用的辦法有注漿法、高壓噴射法、攪拌法及凍結(jié)法.

(2)截水防滲

截水防滲措施的目的是隔斷滲透途徑或延長滲徑、減小水力梯度.水平方向鋪設(shè)防滲鋪蓋，可采用黏土及壤土鋪蓋、瀝青鋪蓋、混凝土鋪蓋以及土工膜鋪蓋.垂直方向防滲的結(jié)構(gòu)形式很多.大壩工程的混凝土、黏土芯墻、高壓噴射、劈裂灌漿形成的止水帷幕；基坑及其他開挖工程中廣泛使用的地下連續(xù)、板樁、MSW工法插筋水泥土墻以及水泥攪拌墻.這些豎向的隔水結(jié)構(gòu)主要是打設(shè)在透水層內(nèi)，其深度根據(jù)滲流計算確定.打設(shè)在強透水層中時應(yīng)盡可能深入到不透水層，否則隔滲效果有限.

(3)人工降低地下水位

該方法是最常見的臨時防滲措施，在施工期處理管涌、流沙(土)時也常采取這一最簡單易行的辦法.該方法可以降低水頭，或使地下水位降至滲透變形土層以下.在弱透水層中采用輕型井點、噴射井點；在較強的透水層中采用深井法.

(4)出逸邊界措施

在下頭加蓋重，以防止土體被滲透力所懸浮，防止流砂(土).在浸潤線出逸段，設(shè)置反濾層是防止管涌破壞的有效措施.

(5)其他施工考慮

施工選擇枯水期施工，采取水下挖掘及澆筑封底混凝土等施工方法.

5 結(jié) 論

雙層堤基滲流變形特征是由其特殊的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)所決定的，堤基下部強透水層連通性較好上游水頭升高的同時致使堤基滲流具有明顯的靜水承壓特征，在堤基下游形成一種高承壓、緩流動的承壓滲流，其水頭增大到一定值時，會擊穿上覆粘性土薄弱層位，發(fā)生集中管涌等滲流破壞.管涌發(fā)生的最大范圍就是堤后壓滲控制層的最大水平范圍，也是堤后強滲流場透水層分布范圍，粘性土蓋層的薄弱部位是發(fā)生管涌破壞的最可能部位.通過明確雙層堤基水文地質(zhì)條件、滲流結(jié)構(gòu)特征以及土體滲透破壞發(fā)生管涌的險情探別，提出科學(xué)、合理的防治措施，為及時做好管涌的防治工作具有指導(dǎo)意義.