八岔段堤防工程滲透系數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)

李治軍，高淑琴，高　宇，謝世堯，陳澤希

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué) 寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.太原科技大學(xué)，山西 太原 030000)

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八岔段堤防工程滲透系數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)

李治軍1,2，高淑琴3，高宇1,2，謝世堯1,2，陳澤希1,2

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué) 寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.太原科技大學(xué)，山西 太原 030000)

堤防的滲透破壞可以分為壩基滲漏和壩身滲漏，其中壩身滲漏的重要影響因素之一就是壩身的滲透系數(shù)。文章以黑龍江干流堤防八岔段工程為例，通過(guò)室內(nèi)滲透試驗(yàn)，得出壩身的平均滲透系數(shù)。以此為依據(jù)得出結(jié)論，認(rèn)為該堤壩透水性較弱，防滲性良好。

堤防；八岔；滲透系數(shù)；試驗(yàn)

滲透破壞在堤防工程中非常普遍，河流堤防決口，大多與堤防土體的滲透破壞有關(guān)。隨著汛期河水位的不斷升高，堤防內(nèi)外河水位與地下水位的水力坡度也逐漸增大。當(dāng)水力坡度達(dá)到臨界值時(shí)，堤防便開(kāi)始發(fā)生滲透破壞。堤防滲透破壞的發(fā)生，除了與水文因素有關(guān)外，還與堤防本身的透水性有關(guān)，即滲透系數(shù)[1-3]。

1　堤防滲透破壞分析

堤防滲透破壞在堤防工程中非常普遍，滲透產(chǎn)生的原因是堤防的臨水側(cè)和背水側(cè)存在水頭差，產(chǎn)生滲流引起。隨著汛期水位的升高，堤身內(nèi)的浸潤(rùn)線逐步形成并不斷提高，堤基和堤身內(nèi)的滲透比降也逐漸增大，土體將產(chǎn)生滲透破壞。

滲透破壞根據(jù)發(fā)生的部位不同，可以分為堤基破壞和堤身破壞[4-9]。

1.1堤身滲透破壞

堤身的滲透破壞包括三種類(lèi)型：滲水造成的堤坡沖刷、漏洞和集中滲流造成的接觸沖刷。

堤坡沖刷是由背水堤坡滲水所致。一種是堤坡的出逸比降大于允許比降而產(chǎn)生的滲透破壞；另一種是滲水集中后造成對(duì)坡面的水流沖刷。

堤防背水坡及堤腳附近出現(xiàn)橫貫堤身的流水孔洞稱(chēng)為漏水洞。由于漏水洞中的集中水流對(duì)土體的沖刷力很強(qiáng)，因此對(duì)堤防的危害性極大[10-12]。

當(dāng)?shù)躺戆l(fā)生集中滲流且沖刷力大于土體的抗?jié)B強(qiáng)度時(shí)，在集中滲流處就會(huì)產(chǎn)生接觸沖刷破壞。

1.2堤基滲透破壞

堤基的滲透破壞常表現(xiàn)為管涌。一般來(lái)講，堤防堤基的表土層一般極少是砂礫層，因此，堤基的滲透破壞一般均為土力學(xué)中的流土破壞。產(chǎn)生的原因是隨著汛期水位的升高，背水側(cè)堤基的滲透出逸比降增大，一旦超過(guò)堤基的抗?jié)B臨界比降就會(huì)產(chǎn)生滲透破壞。滲透破壞首先在堤基的薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)。

綜上所述，根據(jù)堤防的滲透破壞類(lèi)型可以看出，堤防的滲透破壞多與堤防本身的透水性有關(guān)，透水性越好，堤防的滲透破壞越嚴(yán)重。而反映堤防透水性強(qiáng)弱的指標(biāo)，常用滲透系數(shù)來(lái)表示。本文擬通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方法，探討確定堤防滲透系數(shù)的可行性[13-14]。

2　堤防滲透研究進(jìn)展

2.1堤防滲透穩(wěn)定性定量計(jì)算研究進(jìn)展

經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，關(guān)于堤防滲透穩(wěn)定性分析方面，2000年以前， 主要以理論分析為主，2000年以后，定量評(píng)價(jià)開(kāi)始廣泛應(yīng)用。

邢萬(wàn)波等[15]基于有限元法，模擬堤防場(chǎng)地土層實(shí)際分布情況，計(jì)算洪水位下運(yùn)行堤防背水面水力坡降，對(duì)板橋河堤防滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析研究。雷鵬等[16]以有限元法分析為基礎(chǔ)，結(jié)合LHS-MC方法，計(jì)算堤防的最大水力坡降，分析不同水位條件下的滲透破壞概率。高昂等[17]將BP網(wǎng)絡(luò)和Monte Carlo法相結(jié)合，利用有限元技術(shù)，建立了堤防滲透破壞模型，分析堤防滲流穩(wěn)定可靠度。彭博[18]建立了滲透破壞水土耦合的動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)堤防滲透破壞過(guò)程進(jìn)行了描述。敬晨等[19]以有限元技術(shù)為基礎(chǔ)，利用Autobank軟件，計(jì)算分析堤防滲流穩(wěn)定問(wèn)題。倪小東[20]采用有限差分法，建立堤防三維離散-連續(xù)耦合模型，模擬分析堤防工程滲透變形問(wèn)題。

2.2堤防滲透破壞試驗(yàn)研究進(jìn)展

關(guān)于堤防滲透破壞的試驗(yàn)研究，主要在近幾年逐步發(fā)展起來(lái)。

趙敬川等[21]設(shè)計(jì)了一種堤防工程滲透破壞發(fā)展過(guò)程的模型試驗(yàn)裝置，可模擬堤防各種水力梯度下的滲透破壞發(fā)展過(guò)程。周曉智等[22]設(shè)計(jì)了一種研究土體滲透破壞發(fā)展的多功能試驗(yàn)裝置，模擬堤基在不同水頭下的滲流以及滲透破壞，并能夠得到相應(yīng)的滲流場(chǎng)。梁越等[23]利用自主研發(fā)的滲透破壞實(shí)驗(yàn)裝置，研究了細(xì)顆粒含量、細(xì)顆粒組成以及干密度等對(duì)散粒土滲透破壞特性的影響,得到了試樣滲透破壞過(guò)程中滲流流速、臨界水力梯度、滲透系數(shù)等的變化規(guī)律。

3　堤身透水性試驗(yàn)分析

滲透系數(shù)測(cè)定的室內(nèi)方法主要為滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)是在裝有沙的圓筒中進(jìn)行的(圖1)。水由筒的上端加入，流經(jīng)土柱，由下端流出。上游用溢水設(shè)備控制水位，使試驗(yàn)過(guò)程中水頭始終保持不變。在圓筒的上下端各設(shè)一根測(cè)壓管，分別測(cè)定上下兩個(gè)過(guò)水?dāng)嗝娴乃^。下端出口處測(cè)定流量。

圖1　滲透試驗(yàn)裝置示意圖

根據(jù)達(dá)西定律，得到下列關(guān)系式：

(1)

進(jìn)而得到滲透系數(shù):

(2)

式中：Q為滲透流量，cm3/d；ω為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，cm2；H1、H2為上、下游過(guò)水?dāng)嗝娴乃^，cm；L為上、下游過(guò)水?dāng)嗝娴木嚯x，cm；I為水力梯度；K為滲透系數(shù)，cm/s。

4　試驗(yàn)步驟

本次試驗(yàn)以八岔段堤防工程實(shí)際土樣為試驗(yàn)樣本，采用70型滲透儀進(jìn)行滲透試驗(yàn)。

首先，按圖1所示裝好儀器，并檢查各接頭處是否漏水，將調(diào)解試管與供水管連通，從儀器底部開(kāi)始充水至水位略高于金屬孔板。然后，將試樣分層(每層厚約2～3 cm)裝入滲透儀內(nèi)，每層均用搗棒輕輕搗實(shí)，以控制孔隙比，如試樣含有細(xì)粒的黏性土，則應(yīng)在金屬網(wǎng)上鋪上一層粗沙(厚約2 cm)作為緩沖層，以防細(xì)顆粒被水沖走，并量出過(guò)渡層厚度。如此繼續(xù)分層裝入試樣并使之飽和，直至試樣裝到高出上測(cè)壓孔3～4 cm為止，最后在試樣上部放約2～3 cm厚的礫石作為緩沖層，以防供水時(shí)沖刷試樣。

試樣裝好后，緩慢地打開(kāi)管夾，使水流由儀器底部向上滲透，使試樣逐漸飽和，并保持水面不高出試樣頂面。

將調(diào)節(jié)管管口位于試樣上部2/3高度處，使?jié)B透儀內(nèi)產(chǎn)生水位差，水即通過(guò)試樣發(fā)生滲透，經(jīng)調(diào)節(jié)管流出，并保持水位不變。當(dāng)測(cè)壓管水位穩(wěn)定后，記錄測(cè)壓管水位值，并計(jì)算各測(cè)壓管間的水位差，同時(shí)測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)的出水量。

5　試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析

試驗(yàn)過(guò)程中，由于試樣粒徑較小，經(jīng)常堵塞測(cè)壓管，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響；另外，試驗(yàn)與儀器壁中間存在空隙，水流通過(guò)空隙進(jìn)行滲流，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也有一定的影響。因此，試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)存在誤差。經(jīng)多次試驗(yàn)后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理見(jiàn)表1。

表1　滲透試驗(yàn)計(jì)算成果表

將表1中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，代入公式(2)中，最終計(jì)算出試樣的平均滲透系數(shù)為3.84×10-6cm/s，透水性微弱。

6　結(jié)　論

通過(guò)對(duì)八岔段堤防工程土樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，初步計(jì)算出試樣的滲透系數(shù)為3.84×10-6cm/s，透水性微弱。此結(jié)果存在一定的誤差，可以通過(guò)改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備，減小儀器誤差。同時(shí)，由于采樣點(diǎn)比較分散，結(jié)果的代表性有待于進(jìn)一步分析。綜上所述，建議在確定堤防的滲透系數(shù)時(shí)，可以采用原位試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)學(xué)計(jì)算等多種方法來(lái)共同驗(yàn)證。

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Permeability coefficient of levee engineering of Bacha through laboratony tests

LI Zhijun1,2,GAO Shuqin3,GAO Yu1,2,XIE Shiyao1,2,CHEN Zexi1,2

(1.HeilongjiangUniversityCollegeofWaterConservancy&Electric-power，Harbin150080,China;2.HeilongjiangUniversityInstituteofFrigidZoneGroundwater，Harbin150080,China;3.TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030000,China)

The seepage failure of the embankment can be categorized into the seepage of its base and body. One of the important factors that affect the seepage of the embankment body is its seepage coefficient. Taken the Bacha project as an example, the mean seepage coefficient has been worked out in this paper by indoor seepage tests, based on which the conclusion that the embankment has low water permeability and high impermeability has been reached.

embankment; Bacha; seepage coefficient; tests

黑龍江省三江工程建設(shè)管理局項(xiàng)目(HGZL/KY-02)

李治軍(1978-)，男，講師，主要從事寒區(qū)地下水滲流方向的教學(xué)和研究工作。

TU441.4

A

2096-0506(2016)09-0031-04