关于渗流堤防渗流制约技术运用

摘 要：本文以萧山区廿二工段至东江闸河道砌石工程（二标段）和余姚三多桥郎霞段河道整治工程为例，针对堤防工程的特点、地基渗透性、不同地基渗流特点进行了分析,并提出了堤防透水渗流控制措施。
关键词：堤防工程；地基渗流；控制措施
堤防工程是防洪工程体系的基础，是防洪的重要屏障，可靠的透水渗流控制措施，是减少和杜绝产生险情的保障。在堤防加固整治过程中，掌握堤身工况及地基渗流特点，采用合理透水渗流控制是确保堤防安全度汛的有效措施。

1 堤防工程特点

1.1 堤防轴线位置多系历史形成和河势控制决定，不能随意选定防渗条件好的部位，且堤防工程多修建在含有深厚透水层或软土层的冲积平原上。

1.2 堤线长，但堤身及其挡水水头不高，因此多采用均质断面。

1.3 一般情况挡水时间仅为汛期洪水时段，陆侧地下水位、江河湖塘水位大多数时间高于河水位，需要通过堤基排渗。
1.4 由于堤身长期不挡水，容易产生干缩裂缝，粘性土堤身易出现蚁穴、兽洞，往往过几年要全面勘探检查一次。
1.5 为满足桥梁、码头、通道、排水及供水要求，导致穿堤建筑物多，即渗漏薄弱环节多。
1.6 往往分期填筑加高、加固，堤身填

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料及结构复杂。
1.7 城区段堤防由于临近居民区，对其防渗可靠性要求更高，不允许有外漏渗水。

2 堤防地基渗透性

2.1 不同土层的渗透系数

表 1 不同土层的渗透系数

2.2 渗控措施及其计算与渗透系数相对比值关系

渗流流网形态、逸出梯度、平均梯度只与堤身填料、地基土层渗透系数 K 值的相对比值及分布相关。因此，主要根据堤身及地基各土层渗透系数相对比值确定合理的渗流控制措施及结构。
堤身填筑材料、地基土层的渗透系数相差5倍以内的相邻薄层可视为一层，采用加权平均渗透系数作为计算依据。
当渗水地基深度大于建筑物不透水底部长度1.5 倍以上时，可按无限深透水地基计算。透水层越浅、薄，出口处等势线越密，垂直方向的出逸梯度越大。因此，透水层浅、薄时，出险可能性反而大。
比上层地基土渗透系数小2个数量级的下卧层可视为不透水层。
下层土比上层土的渗透系数小1个数量级，可视为相对不透水层，防渗墙或帷幕可伸入该相对不透水层内。
上层土的渗透系数比下层土小1个数量级时，下层土内便可能产生承压水。
斜墙、心墙及铺盖用土的渗透系数宜比相邻土层的渗透系数小2个数量级；相差3个数量级时，可视为是不透水防渗体。
7）透水盖重用土的渗透系数，宜比堤基表层土的渗透系数大1个数量级。

2.3 渗流梯度

开始发生渗透变形以前的最大渗流梯度为临界梯度。当渗流梯度小于临界梯度时，管涌土的土粒处于渗透静稳定状态。土体内部结构产生渗透破坏的最小渗流梯度，为破坏梯度。当渗流梯度小于破坏梯度时，管涌土处于渗透动稳定状态。流土的临界梯度与破坏梯度相接近。砂性土的破坏梯度约等于土的浮容重。防止管涌出现的允许梯度，采用临界梯度除以 1.5～2.0 的安全系数；或破坏梯度除以 2～3 的安全系数；防止流土出现的允许梯度，采用破坏梯度除以 2～3 的安全系数。下面就允许梯度进行分析：
1）允许逸出梯度：粉砂 0.25～0.3，粉土（砂壤土）0.4～0.5，粉质粘土（壤土）0.5～0.6。砂性土可根据不均匀系数 Cu 及级配查表 2。
表 2 砂性土允许逸出梯度

允许平均梯度：浅表层为深厚砂性土，又无垂直截渗措施时，平均渗流梯度应满足表 3 要求。否则应采取措施延长渗径。由于动水压力只与渗流梯度有关，与渗透流速无关，因此延长渗径有利于边坡稳定。
表 3 允许平均渗流梯度

有可靠反滤层的粘性土层允许梯度：取破坏梯度（流土约 50～80、接触流土约 1O～40）除以6～12 的安全系数。
粘性土均质堤的渗流渗出坡面无保护材料时，为满足背水坡渗流出逸部位不产生流土破坏，应满足 tgθ<0.5tgφ 的要求（式中θ为坡角，φ为坡面土的内摩擦角）。
砂性土堤的背水面有渗流出逸部位，为防止坡面发生渗流破坏，土堤坡比应不陡于 1：3。

3 不同地基的渗流特点

堤防地基主要具有三种不同渗流特性的地基结构，即单一地基、双层地基以及多层地基。
3.1 单一地基。为级配和透水性较均匀的均质结构。一般不会在堤基内产生承压水。单一粘性土地基，渗流问题不大；单一砂性土地基为管涌险情多发地段。
3.2 双层地基。由表层弱透水粘性土、下卧强透水砂层组成二元结构。但上部相对弱透水层内，往往有较强、较弱透水层组成互层结构。
3.3 多层地基。强弱透水层形成互层结构，可形成多个承压水层。当表层透水性较紧邻下层弱，渗流特性与双层地基接近；当表层透水性较紧邻下层强，按单一砂层分析表层渗透稳定性和双层地基分析两层及两层以上地基土的渗透稳定性。

4 渗流控制设计原则

4.1 堤防地基渗流控制以渗径及逸出梯度控制为主。当堤防地基粉细砂层下面有强透水中粗砂、砂卵石层时，逸出点渗流近于垂直向上，产生渗透变形的临界梯度 Jt，可由单位体积土的力平衡方程得出

σ为单位体积土所承受的垂直载荷
Φ 为砂土内摩擦角n为砂土孔隙率。
双层地基的上部粘性土抵抗承压水破坏梯度 JC为 JC=α（γ`s/ γ）式中：α 为土体颗粒形状系数。无粗粒土为 1.0，砂粒1.16～1.17，有锐角的不规则颗粒土为 1.5，混合砂砾料1.33。上式表明，当堤内表层粘性土厚度不小于堤身挡水的水头时，便不易出现突涌破坏。

4.2 一般渗流控制原则是上堵下排。可优先采用“导压兼施，以导为主”方案。

4.3 堤内地面一般高于河道内水面，堤内地下水位与河水保持一定水力联系，有利于利用、开采地下水，排除渍水，防止或减少冷浸田和盐碱化。有上述要求部位，不宜长范围采取截断全部渗流方案。由于堤防挡水时间很短，更不宜采用全部截渗方案。须考虑堤内水位高于河道内水位时的地基抗渗稳定性。
4.4 城区段堤防，凡不能完全截渗部位，其背水侧及地基内应设置导渗设施，不允许有外漏渗水或散浸现象。为确保堤身渗流安全少占地及美化城市，宜采用截断杂填土、素填土及浅层透水层的钢筋混凝土防洪墙结构。

5 渗流控制措施选择

5.1 表层为厚度不大的透水地基宜采用粘性土截水槽截渗。厚度较大时采用垂直防渗措施，直达相对不透水层。
5.2 双层地基表层为相对不透水层，下部为深厚透水层时，一般在堤内表层土的薄弱处铺设透水盖，用粘性土填土封闭至满足水平渗径要求。

5.3 多层地基表层有较厚的弱透水层时，宜采用“导压兼施，以导为主”方案。

5.4 堤后铺设盖重土的渗透系数小于地基表层土的渗透系数时，会增加堤厚位势，不能显著降低逸出梯度。
5.5 已填筑的堤身防渗，可用劈裂灌浆、多头小直径深层搅拌桩、板桩灌注墙或高喷形成防渗体。
5.6 大范围采用插入基岩、截断全部渗流的垂直防渗措施，不仅防渗工程量大、造价高，而且往往会恶化水文地质环境。
5.7 在砂性土基上填筑的砂性土堤，应有可靠防渗、防冲、防雨水冲蚀措施，背水坡脚还应设置较深的导渗沟，防止渗流逸出坡面。
5.8 表层粘性土层不厚，下卧的透水层呈层状沉积，且强透水层位于地基下部或其间夹有粘性土层形成互层结构，可采用减压井排除深层承压水。
结束语
堤防轴线位置多系历史形成和河势控制决定,不能随意选定防渗条件好的部位。在进行堤防渗流控制的设计中,要详细研究具体堤段的工程地质条件,按单一地基和双层地基选择不同的计算方法,并提出切实可行的渗流控制措施。在选择渗流控制方案时,要考虑防渗和排渗相结合的原则。避免生态环境恶化,确保人水和谐。
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