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1、第三章 堤防渗透破坏的除险加固 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
2、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： 1.流土 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
3、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。 2.管涌 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。 3.接触冲刷 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。 4.接触流土 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，
4、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31进行。表31 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Cu10流土10Cu20管涌缺少中间颗粒的砂砾石Pz30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。 1.流土 流土首先发生于渗流
5、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=(s/w-1)(1-n) (3-1) 式中：s为土颗粒的密度，w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。 2.管涌 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
6、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，允许比降一般为0.10.25，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tg。表32给出了无粘性土不发生管涌破坏的允许比降的经验值。表32 无粘性土抗流土或管涌破坏的允许坡降JB的经验值项目渗透变形型式流土型过渡型管涌型Cu5级配连续级配不连续JB0.25-
7、0.350.35-0.500.50-0.800.25-0.400.15-0.250.10-0.15 3.接触冲刷 接触冲刷发生在堤身和堤基的内部，但其颗粒仍旧是从渗流出口处带出。接触冲刷不断发展会形成漏水通道，而引起堤防溃决。 在两种性质不同的土层界面上发生接触冲刷时，其临界比降可以通过室内试验或按伊斯托明娜的试验结果（图31）获得。图中的纵坐标为接触冲刷的临界比降，横坐标为D10/d10tg，其中D10为粗粒土层的有效粒径（过筛重量占总土重10%的颗粒直径），d10为细粒土层的有效粒径，tg为细粒和粗粒土层之间的摩擦系数。 在土层与刚性建筑物接触界面上发生接触冲刷时，对比一些试验资料和建闸的
8、经验将非管涌土地基的允许渗透比降值列入表33，供参考。表中渗透比降的允许值是由临界比降除以1.5的安全系数得到的，但没有考虑渗流出口处的保护。如果渗流出口有反滤保护，则表中的数据可以适当提高3050。图31 接触冲刷临界坡降曲线表33 各种土基上水闸设计的允许渗流坡降地基土质类别允许渗流坡降地基土质类别允许渗流坡降水平段Jx出口Jo水平段Jx出口Jo粉 砂细 砂中 砂粗 砂中细砾粗砾夹卵石0.050.070.070.100.100.130.130.170.170.220.220.280.250.300.300.350.350.400.400.450.450.500.500.55砂 壤 土粘壤土
9、夹砂礓土软 粘 土较坚实粘土极坚实粘土0.150.250.250.350.300.400.400.500.500.600.400.500.500.600.600.700.700.800.800.90 4.接触流土 接触流土的抗渗临界比降应通过室内试验获得。 5.堤坡的抗冲刷能力 当渗流从堤坡上出逸而产生渗水（亦称散浸）后，渗水对堤坡具有一定的冲刷作用，有可能产生渗透破坏。其中最易产生破坏的地方是出逸点。堤坡抗冲刷破坏的临界比降可以用下式估算：Jc=/w(tg-tg)cos+c/r (3-2) 式中：为土的浮容重；w为水的容重；tg 为土的摩擦系数；为土在水下的内摩擦角；c为土的凝聚力；为堤坡的
10、坡角。 出逸点处的渗流比降为J=sin，设土的浮容重为1，忽略凝聚力c，当J=Jc时由式（3-2）得到：tg=0.5tg （3-3） 因此，堤坡不产生冲刷破坏的条件是tgd15 、kg10ks式中：O90为筛余率90时的土工织物孔径；d15为过筛重量占15时的被保护土的颗粒直径；kg为土工织物的渗透系数；ks为被保护土的渗透系数。 （3）防淤堵准则（梯度比准则） 为防止土工织物被淤堵，应满足：GR3式中：GR为梯度比，应通过梯度比试验确定。 （4）、透水料的粒径、尺寸应满足畅通排水的条件。 2.料和施工要点 （1）土工织物滤层必须和透水料一起使用才能形成反滤排水体。透水料应不带尖角，以免顶破土
11、工织物，透水料的粒径和厚度应满足设计要求。 （2）铺设前应对土工织物进行质量复检，如材质是否均匀，强度、渗透和抗淤堵性能等是否满足设计要求。 （3）铺设时应避免土工织物折叠、打皱等。幅间搭接宜采用专用设备缝合，搭接宽度不小于5cm。 （4）铺设时应避免土工织物破损，一旦发现，应予剔除废弃，不得使用。同时还应避免泥土或杂物弄赃土工织物，以免影响渗透效果。 （5）土工织物应得到有效保护，施工时防止被阳光长时间照射，以防老化。 二、堤身除险加固工程的设计与施工 堤身渗透破坏的除险加固措施主要有：临水坡斜墙防渗、堤身垂直防渗、贴坡排水、透水后戗（压浸台）、水平排水等，对堤身缺陷可以采用回填或灌浆的办法
12、进行处理。 （一）防渗斜墙 1.设计考虑 对临水侧有铺盖或地基有垂直防渗的情况，斜墙应与其连成一体，构成完整的防渗体系，以提高防渗效果。 斜墙的尺寸应根据散浸的范围、出渗点的高度和渗水的严重程度经计算确定，长度至少超过渗水段两端各5m，高度应超过设防水位0.51.0m。 对粘土斜墙，垂直于堤坡方向的厚度为12m，坡度与原堤身相当或稍缓。为防止粘土斜墙干裂、冻裂和其它侵害的影响，应设壤土保护层，一般情况，保护层高于墙顶1.01.5m，垂直堤坡方向的厚度为0.8m。粘土斜墙断面示意图参见第二章。 如果缺乏粘土材料，可以用土工膜作隔渗层建造斜墙。土工膜应满足强度、抗腐蚀和抗老化等要求。土工膜应设置保
13、护层。断面示意图参见第二章。 2.从施工考虑 施工时应首先清除边坡和坡脚附近的杂草、树木等杂物，清除厚度1020cm，并适当整平。 斜墙应选用粘性较大的土料且不得含植物根茎等杂质，填筑压实度应不小于0.94，含水率与最优含水率的允许偏差为3。 当用土工膜作隔渗层建造斜墙时，土工膜幅间的拼接应采取焊接或粘接方式，确保施工质量，并注意施工中不要损坏土工膜。另外还需保证土工膜与堤身牢固接合，并采取防止生物破坏的措施。详细内容参见第二章。 （二）堤身垂直防渗 垂直防渗的位置宜布置在临水堤脚或堤顶尽量靠近临水侧，并与堤身防渗体连成一体。根据近几年的实践，比较经济合理有效的堤身垂直防渗技术有：锥探灌浆、劈
14、裂灌浆、和垂直铺塑等。设计和施工的有关细节参见第五章。 1.锥探灌浆 在堤顶采用梅花形方式布孔并进行充填灌浆。实践证明，锥探灌浆是处理堤身隐患的一个比较有效的方法，但由于钻孔数量多往往造价较高。 2.劈裂灌浆 沿堤顶轴线单排布孔，利用灌浆压力将堤身沿其走向劈开并灌浆，从而在堤身内沿其走向形成一厚度10cm左右的防渗幕。同时还具有压密堤身和充填洞穴的作用，可获得事半功倍的效果。该方法已经在许多堤防和土坝中得到应用，效果明显。 3.垂直铺塑 在堤顶沿大堤走向用开槽机在堤身内垂直成槽，然后铺设土工膜并用粘土浆回填，从而达到降低堤身渗流量和浸润线的目的。该方法已经在黄河大堤上采用并取得较好的效果。 （三）贴坡排水 为避免渗水对堤坡的冲刷和渗流出口发生流土破坏，可以采用贴坡反滤进行处理。施工时应清除堤坡表面的草皮、杂物，清除深度1020cm，贴坡反滤的高度应高出最高的渗流出逸点0.51.0m，长度应超出散浸堤段