第三章 堤防渗透破坏的除险加固.doc

第三章堤防渗透破坏的除险加固
第一节渗透破坏的成因和分类
第二节渗透破坏除险方案的选择
第三节渗透破坏除险方案的复核
第四节除险加固工程的设计和施工
    渗透破坏在堤防工程中非常普遍,据98年长江防洪抢险的统计资料,由渗透破坏造成的险情约占险情总数的70%。除去漫溢险情,则溃口性险情几乎全部是渗透破坏所致。防洪抢险及除险加固的实践表明,渗透破坏是堤防工程中最普遍且难以治愈的心腹之患。
    要做好渗透破坏的除险加固工作,需从以下几个方面入手:首先要了解渗透破坏属于哪种类型,并分析其形成的原因;然后根据渗流控制原则和具体的工程地质条件,选择经济合理的除险措施;为保证除险效果,需要对所选择的工程措施进行复核;最后对所选择的工程措施进行精心设计和施工,达到根除渗透破坏的目的。
第一节渗透破坏的成因和分类
    只要堤防的临水侧和背水侧存在水头差,堤防就有渗流产生。随着汛期水位的升高,堤身内的浸润线逐步形成并不断抬高,堤基和堤身内的渗透比降也逐渐增大。当渗流产生的实际渗透比降J大于土的临界渗透比降JC时,土体将产生渗透破坏。堤防的内在隐患会加速渗透破坏的发生和发展。
一、渗透破坏的土力学分类和判别
    渗透破坏也称渗透变形。由于渗流条件和土体条件的不同,渗透破坏的机理、发展过程及后果也不一样。从渗透破坏发生的机理角度,可以将渗透破坏分为四种类型:
  
    在渗透力作用下,土体中的颗粒群同时起动而流失的现象称为流土。这种破坏形式在粘性土和无粘性土中均可以发生。粘性土发生流土破坏的外观表现为:土体隆起、鼓胀、浮动、断裂等。无粘性土发生流土破坏的外观表现是:泉眼(群)、砂沸、土体翻滚最终被渗透托起等。
   
    在渗透力的作用下,土体中的细颗粒(填料颗粒)沿着土体骨架颗粒间的孔道移动或被带出土体,这种现象叫管涌。它通常发生在砂砾石地层中。
   
    渗流沿着两种不同介质的接触面流动并带走细颗粒的现象称为接触冲刷。如穿堤建筑物与堤身的结合面和裂缝的渗透破坏等。
   
    渗流垂直于两种不同介质的接触面运动,并把一层土的颗粒带入另一土层的现象称为接触流土。这种现象一般发生在颗粒粗细相差较大的两种土层的接触带,如反滤层的机械淤堵等。
    对粘性土,只有流土、接触冲刷或接触流土三种破坏形式,不可能产生管涌破坏。对无粘性土,则四种破坏形式均可发生。对无粘性土,管涌和流土的判别可以按照表3—1进行。
表3-1 无粘性土管涌和流土的判别
土  类
土颗粒组成特点
渗透变形形式
正常级配砂砾石
Cu<10
流土
10<Cu<20
流土或管涌
Cu>20
管涌
缺少中间颗粒的砂砾石
Pz<25%-30%
管涌
Pz>30%
流土
注:Cu为土的不均匀系数,Cu=d60/d10;Pz为小於颗粒级配曲线上断裂点A的粒径含量;
d60为过筛重量占60%的颗粒直径,d10为过筛重量占10%的颗粒直径。
二、土的抗渗强度
    土的抗渗强度表明了土体抵抗渗透破坏的能力,包括抗渗临界比降和允许比降。允许比降JB由临界比降JC除以安全系数得到。土的抗渗强度决定于土的性质和渗流条件(渗透破坏形式)两个方面。
   
    流土首先发生于渗流出口,不可能在土体内部直接发生。当渗流自下向上运动时,一旦渗透力克服了重力的作用,则土体就会产生流土破坏,此时土体的临界比降可以通过原状土室内试验求得,也可以由下式近似确定:
JC=(ρs/ρw-1)(1-n)                                         (3-1)
    式中:ρs为土颗粒的密度,ρw为水的密度,n为土体的孔隙率。
    由公式(3-1)求得的JC偏小,大约小于试验值的15%~25%,这主要是因为在该式中没有考虑土的抗剪强度的影响(包括内摩擦角和凝聚力两个方面),因此也是偏于安全的。表3-2给出了无粘性土不发生流土破坏的允许比降经验值,细砂取小值,较粗的砂土取大值。
   
    管涌可能发生在渗流出口,也可能发生在土体内部。由于颗粒移动中的堵塞作用,可能会有管涌中断现象发生,有的是暂时性中断,而后继续发生,有的是永久性中断,即发生了自愈情况。还有一种情况,由于土体中细颗粒填料较少,它的带出不影响土体骨架颗粒的稳定,当细颗粒被带完后,只出清水,不出浑水,管涌终止。
    由于计算管涌临界比降的公式目前还不成熟,因此管涌临界比降一般通过室内试验测定。根据经验,对水流向上的垂直管涌,~,水平管涌的允许比降为垂直管涌的允许比降乘以摩擦系数tgφ。表3—