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柽 第三节渗透破坏除隃方案的复核 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J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 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
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： 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,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 Ca<10 流土 正常级配砂砾石 10<C<20 流土或管涌 Cu>20 管涌 缺少中间颗粒的砂砾石 P2<25%-30% 管涌 P2>30% 流土 注:C为土的不均匀系数,C=da/d;P2为小於颗粒级配曲线上断裂点A 的粒径含量 d为过筛重量占60%的颗粒直径,dl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J由临界比降J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
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，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。 1.流土
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 l=(p/p-1)(1-n) (3-1) 式中:p,为土颗粒的密度,p,为水的密度,n为土体的孔隙率。 由公式(3-1)求得的J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0.1 0.25,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tgφ。表3-2 给出了无粘性土不发生管涌破坏的允许比降的经验值。 表3一2无粘性土抗流土或管涌破坏的允许坡降J的经验值 渗透变形型式 流土型 过渡型管涌型 Cu<3 Cu=3-5 Cu>5 级配连续「级配不连续」 J0.25-0.350.35-0.500.50-0.800.25-0.400.15-0.250.100.151
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。 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 0.1～ 0.25，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 tgφ。表 3—2 给出了无粘性土不发生管涌破坏的允许比降的经验值。 表 3－2 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 Cu<3 Cu=3-5 Cu>5 级配连续 级配不连续 JB 0.25-0.35 0.35-0.50 0.50-0.80 0.25-0.40 0.15-0.25 0.10-0.15
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。2 接触冲刷不断发展会形成漏水通道,而引22 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3· ■■■ 1)获得。图中的纵坐标为接触冲刷的临 ■■口■■ 界比降,横坐标为Do/ dotsφ,其中D 口■ 为粗粒士层的有效粒径(过筛重量占总土2中 重10%的颗粒直径),d为细粒土层的有。十十十 效粒径,tgφ为细粒和粗粒土层之间的摩 □N□■■口 擦系数 在土层与刚性建筑物接触界面上餐 ■ 闸的经验将非管涌土地基的允许渗透比4 降值列入表3-3,供参考。表中渗透比降 d10tg小 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图3-1接触冲刷临界坡降曲线 护。如果渗流出口有反滤保护,则表中的 数据可以适当提高30%~50% 表3一3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J「出口J 「水平段J,出口J 粉 05~0.070.25~0.30砂壤土 0.15~0.250.40~0.50 07~0.10.30~0.35粘壤土夹砂礓土0.25~0.350.50~0.60 10~0.130.35~0.40软粘土 30~0.400.60~0.70 粗砂 13~0.170.40~0.45较坚实粘土 40~0.500.70~0.80 中细砾 0.17~0.220.45~0.50极坚实粘土 50~0.600.80~0.90 粗砾夹卵石0.22~0.280.50~0.55 4接触流土
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 3－ 1）获得。图中的纵坐标为接触冲刷的临 界比降，横坐标为 D10/d10tgφ，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，tgφ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 闸的经验将非管涌土地基的允许渗透比 降值列入表 3－3，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 30％～50％。 图 3－1 接触冲刷临界坡降曲线 表 3－3 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 0.05～0.07 0.07～0.10 0.10～0.13 0.13～0.17 0.17～0.22 0.22～0.28 0.25～0.30 0.30～0.35 0.35～0.40 0.40～0.45 0.45～0.50 0.50～0.55 砂 壤 土 粘壤土夹砂礓土 软 粘 土 较坚实粘土 极坚实粘土 0.15～0.25 0.25～0.35 0.30～0.40 0.40～0.50 0.50～0.60 0.40～0.50 0.50～0.60 0.60～0.70 0.70～0.80 0.80～0.90 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: J=y/y, tgo-tg B)cos B /r 式中:y为土的浮容重:y,为水的容重;tgφ为土的摩擦系数:φ为 土在水下的内摩擦角;c为土的凝聚力;B为堤坡的坡角。 出逸点处的渗流比降为J=sinB,设土的浮容重为1,忽略凝聚力c,当 J=J时由式(3-2)得到 tgB=0. 5tg (3-3) 因此,堤坡不产生冲刷破坏的条件是tgB<0.5tgφ,即坡角的正切必须 小于饱和土内摩擦角正切的一半,或者说坡角约等于土的休止角的一半,这是无 粘性土堤坡不产生局部冲刷破坏的一个最低要求。 6粘性土的抗渗强度 粘性土的渗透破坏特性取决于容 重、含水率、粘土矿物成分、交换性阳离 子的数量和成份、孔隙液体的含盐浓度和 成分等物理化学因素,因此,它远比无粘10 性土渗透破坏特性复杂。粘性土可分为分岩 Ⅲ:美国 散性粘土,非分散性粘土和过渡型粘土。6 4酒哥 如图3-2,其中A区为分散性粘土,B区 澳人利亚 为非分散性粘士,C区为过渡性粘土。该十 图的纵坐标为钠的百分比,横坐标TDS为 金属阳离子总量。分散性粘土遇水后土颗 粒逐渐脱落而形成悬液,极易被水流带图3-2区别分散性和非分散性粘士图 走,其破坏要比细砂和粉土更为容易。而 非分散性粘性土由于其凝聚力很大,只会 发生流土破坏,不会发生管涌破坏,有反 滤保护时,其临界比降可以超过20以上 而一般取4~5为粘性土的抗渗允许坡降
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=γ'/γw(tgφ-tgβ)cosβ +c/r (3-2) 式中：γ'为土的浮容重；γw为水的容重；tgφ 为土的摩擦系数；φ为 土在水下的内摩擦角；c 为土的凝聚力；β为堤坡的坡角。 出逸点处的渗流比降为 J=sinβ，设土的浮容重为 1，忽略凝聚力 c，当 J=Jc时由式（3-2）得到： tgβ=0.5tg φ （3-3） 因此，堤坡不产生冲刷破坏的条件是 tgβ<0.5tgφ，即坡角的正切必须 小于饱和土内摩擦角正切的一半，或者说坡角约等于土的休止角的一半，这是无 粘性土堤坡不产生局部冲刷破坏的一个最低要求。 6.粘性土的抗渗强度 粘性土的渗透破坏特性取决于容 重、含水率、粘土矿物成分、交换性阳离 子的数量和成份、孔隙液体的含盐浓度和 成分等物理化学因素，因此，它远比无粘 性土渗透破坏特性复杂。粘性土可分为分 散性粘土，非分散性粘土和过渡型粘土。 如图 3－2，其中 A 区为分散性粘土，B 区 为非分散性粘土，C 区为过渡性粘土。该 图的纵坐标为钠的百分比，横坐标 TDS 为 金属阳离子总量。分散性粘土遇水后土颗 粒逐渐脱落而形成悬液，极易被水流带 走，其破坏要比细砂和粉土更为容易。而 非分散性粘性土由于其凝聚力很大，只会 发生流土破坏，不会发生管涌破坏，有反 滤保护时，其临界比降可以超过 20 以上， 而一般取 4～5 为粘性土的抗渗允许坡降 图3－2 区别分散性和非分散性粘土图