某堤防工程滲透分析及防滲措施研究

李 磊，王亞妮，程華進，谷 靜

（1.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計有限公司，山東 濟南 250014；2.淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005）

在水位較高的地區(qū)修建堤防工程時，土體的滲透破壞是最為常見的工程隱患[1]。諸多學(xué)者對堤防滲透穩(wěn)定進行了研究，取得了一些共識[2，3]。做好堤防工程的防滲工作是非常必要的。近年來，隨著堤防工程的日益增多，堤防滲水事故時有發(fā)生，其中相當(dāng)一部分原因是施工水平和防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。在水資源豐富的平原地區(qū)，防滲這項工作就更加重要，如果設(shè)計不當(dāng)就會出現(xiàn)漏水情況，對工程穩(wěn)定造成較大的影響，甚至發(fā)生工程事故，造成生命財產(chǎn)損失。

從堤防工程滲透破壞發(fā)生的機理來看，可以將破壞形式歸為管涌和流土[4]。流土一般發(fā)生在黏性土和無黏性土中，管涌一般發(fā)生在級配不連續(xù)的砂性土中。堤防工程的防滲加固主要是通過一些工程措施來防止管涌和流土的發(fā)生。目前，在堤防工程中，主要的防滲措施有灌漿、防滲墻、培土加固等。這些方法各有優(yōu)缺點，在工程實踐中都有較多的應(yīng)用。本文結(jié)合某堤防工程，通過數(shù)值計算，評價了堤防的滲透穩(wěn)定性，并為該堤防選取了防滲措施，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某堤防工程位于長江南岸，堤防工程原地面標(biāo)高為4～7 m。根據(jù)工程的地質(zhì)勘查和現(xiàn)場實地調(diào)查，在曾經(jīng)發(fā)生過險情區(qū)域選取典型斷面進行滲透穩(wěn)定分析。

堤頂高程為14.5 m，計算堤防典型斷面剖面如圖1所示。

圖1 堤防典型斷面

根據(jù)地址勘察報告，堤防工程范圍內(nèi)土層分布比較均勻，由室內(nèi)土工試驗和原位測試結(jié)果計算區(qū)域內(nèi)各分區(qū)材料的主要參數(shù)，詳見表1。

表1 各土層主要物理力學(xué)參數(shù)匯總

2 土體滲透破壞評價理論

堤防工程中某處的水力坡降大于土體的允許水力坡降時，土體就會發(fā)生滲透破壞。從宏觀上來看這是水流對整個堤防工程土體的作用，微觀層面這是指滲透的水流對土體顆粒的作用，即滲透力。單位體積的土體沿著滲流發(fā)生方向所受到的滲透力可用下式計算[5，6]：

式中：i為水力梯度；rw為水的容重（kN·m3）。

當(dāng)水流的滲透力大于土體顆粒間的黏聚力和內(nèi)摩擦力時，土體就會發(fā)生滲透破壞[7]，此時的水力梯度稱為臨界水力梯度。

臨界水力梯度是判別土體顆粒滲透穩(wěn)定與否的標(biāo)準(zhǔn)，依照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-2008）附錄M土的滲透變形判別標(biāo)準(zhǔn)，參照M.0.2條對研究區(qū)域內(nèi)堤壩土層進行判別，下游出口段無保護情況下允許水力梯度值詳見表2。

表2 下游出口段無保護情況下允許水力梯度

3 滲流計算與評價

3.1 計算參數(shù)

進行土體的飽和非飽和滲流分析，土壤水分特征曲線和滲透性函數(shù)必須已知[8，9]。如果此類試驗資料缺失時，土水曲線和滲透性函數(shù)可以使用數(shù)學(xué)函數(shù)擬合。本文計算分析過程中所使用的土水曲線是根據(jù)文獻[10]的方法類比得出的，滲透性函數(shù)可根據(jù)Van Genuchten方法[11]推求。

3.2 計算工況

滲流計算選取了垂直水流方向的典型剖面，如圖1所示，堤防上游側(cè)水位視作定水頭邊界，計算時選取極端水位12.5 m，堤防下游側(cè)邊界條件視作自由滲透邊界。防滲措施視為不透水層，滲透系數(shù)選取一個較小值，具體為1×10-9cm/s。對現(xiàn)狀堤防工程和增加防滲措施后的堤防工程滲流場進行了計算。

3.3 堤防滲透穩(wěn)定評價

無防滲措施時，滲流計算結(jié)果如圖2所示。根據(jù)滲流分析結(jié)果，對堤防的滲透穩(wěn)定評價，結(jié)果詳見表3。由表3可知，在順?biāo)鞣较?，如果沒有防滲措施，堤防下游坡面會處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可能會出現(xiàn)流土，必須增加防滲措施以確保工程安全。

圖2 無防滲措施滲流場

表3 滲透穩(wěn)定計算結(jié)果匯總

3.4 防滲措施設(shè)計

無防滲措施時，堤防下游坡面會處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，必須采取防滲措施，確保土體不發(fā)生滲透破壞?？紤]到堤防工程已經(jīng)完建很久，初步選擇下游坡面培土加固和防滲墻2種方案。對2種防滲措施下的滲流場進行了計算分析，通過比較確定最優(yōu)防滲方案。

3.5計算結(jié)果與分析

3.5.1 不同防滲措施對比

為了確定最優(yōu)堤防工程防滲加固方案，分別基于培土加固和防滲墻2種情況進行滲流場計算。培土加固方案為上游側(cè)保持現(xiàn)狀，堤防下游側(cè)坡面由1∶2.5的坡比培厚加固至1∶3。防滲墻處理深度為16.5 m，距離上游坡頂2 m處。2種處理方法的計算結(jié)果，詳見表4。從計算結(jié)果可以看出，下游培土加固方案可以顯著減小單寬流量，但溢出面的水力梯度有明顯增加，對滲透穩(wěn)定是不利的。防滲墻方案既可以減小單寬流量，又可以減小水力梯度。新增防滲墻的方案防滲效果優(yōu)于培土加固方案，本著工程安全的原則，堤防防滲加固采用防滲墻防滲措施。

表4 培土加固和防滲墻方案效果對比

3.5.2 防滲墻長度的影響

對于防滲墻防滲措施，進行了不同防滲墻長度的滲流場計算，結(jié)果如圖3—8所示，不同防滲墻長度滲流場計算結(jié)果匯總詳見表5。

圖3 防滲墻長度為12.5 m的滲流場

圖4 防滲墻長度為14.5 m的滲流場

圖6 防滲墻長度為18.5 m的滲流場

圖7 防滲墻長度為20.5 m的滲流場

圖8 防滲墻長度為22.5 m的滲流場

表5 不同長度防滲墻防滲效果計算匯總

由計算結(jié)果可知，當(dāng)防滲墻長度達到16.5 m之后，溢出面最大水力梯度小于允許水力梯度值，滿足滲流穩(wěn)定要求。防滲墻長度滲流場的影響是非常明顯的。因此，確定合理的防滲墻長度對堤防工程的滲透穩(wěn)定性非常重要。對于本文的計算分析情況，防滲墻長度為16.5～22.5 m時，滲流場變化不大；當(dāng)防滲墻長度小于16.5 m以后，滲流場發(fā)生明顯變化，浸潤線位置明顯抬高。這主要是由堤防土層的滲透性決定的，計算范圍內(nèi)土層主要由3層滲透性不同的土組成，上下為滲透性較好的土層，中間夾滲透性較差的淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土層。當(dāng)防滲墻長度為16.5～22.5 m時，已穿過滲透性較好的粉砂層，進入下面滲透性差的土層，因此滲流場基本上沒什么變化，再增加防滲墻長度就顯得沒有必要；當(dāng)防滲墻長度為16.5 m時，防滲墻端剛好在透水層與下層分界處，滲流場發(fā)生了一定的變化，浸潤線微弱抬高；當(dāng)防滲墻長度小于16.5 m時，防滲墻端在滲透性較好的土層內(nèi)，滲流場發(fā)生了顯著的變化，浸潤線抬高較明顯。

通過以上分析，防滲墻長度應(yīng)穿過滲透性較好的土層，這樣才能起到較好的防滲效果，有利于堤防邊坡的穩(wěn)定；同時也不宜太長，太長不僅浪費材料增加施工難度，效果也不會更好，因此防滲墻長度最佳設(shè)為16.5 m。

4 結(jié)論

堤防工程滲透破壞往往會產(chǎn)生嚴重的安全隱患。本文對某堤防工程進行了滲透破壞評價，并在此基礎(chǔ)上對邊坡防滲措施設(shè)計進行了討論，得到如下主要結(jié)論。

（1）現(xiàn)有堤防工程在沒有新增防滲措施情況下是不安全的，會出現(xiàn)滲透破壞（流土）。

（2）下游培土加固方案會使溢出面的水力梯度增加，對滲透穩(wěn)定是不利的。應(yīng)選擇防滲墻方案作為防滲加固方案。

（3）防滲墻長度對滲流場影響顯著，防滲墻應(yīng)穿過透水層，這樣才能發(fā)揮較好的防滲效果，有利于堤防邊坡的穩(wěn)定；同時也不宜太長，太長不僅浪費材料增加施工難度，效果也不會更好，因此防滲墻長度最佳應(yīng)設(shè)為16.5 m。