大型輸水渠道滲透破壞問題分析

(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

水資源可利用量的短缺和區(qū)域上的分布不勻性已成為制約人類社會發(fā)展的重要問題。大型調水、輸水工程是重新分配水資源，緩和以至解決地區(qū)性缺水的重要工程措施。輸水渠道作為調水輸水工程的主要建筑物形式，具有線路長、渠基沿線工程地質條件復雜、渠道斷面形式及斷面構造復雜、沿線交叉建筑物多、渠道運行條件復雜等特點。在這些復雜的條件下，輸水渠道運行期間會出現各種類型的破壞險情，其中滲透破壞是最常見的一種事故類型。大型輸水渠道的滲透破壞險情比較隱蔽，如未能及時發(fā)現并采取有效措施，可能在渠堤或渠基內形成滲透通道，從而導致渠堤或渠基失穩(wěn)。因此，輸水渠道的渠堤及渠基的滲透破壞必須引起足夠的重視。

隨著堤壩技術的發(fā)展，針對土體滲透變形的類型、機理和滲透變形發(fā)生的臨界條件積累了大量研究成果[1-3]及實踐經驗[4-5]。目前普遍將滲透變形分為管涌、流土、接觸沖刷、接觸流土4種類型[1]。前蘇聯的伊斯托明娜采用不均勻系數來判斷變形的類型，巴特拉雪夫等則采用土體孔隙直徑和填料粒徑作為判別指標[3]，而南京水利科學研究院等采用土體的細粒含量來判別變形的類型[2,6]。針對滲透變形機理方面的研究，主要是物理實驗研究及分析，黃德文等[7]通過室內砂槽模型試驗研究了均質無黏性土的流土發(fā)生機制；梁越等[8]通過自研滲透儀，以散粒土為試驗材料，研究了滲透破壞與細顆粒含量、細顆粒組成以及干密度等因素的關系；劉杰[9]研究了無黏性成層土接觸沖刷的臨界水力比降；楊建等[10]通過滲透變形試驗研究了應力狀態(tài)對接觸流土臨界坡降的影響。隨著數值實驗和細觀分析手段的成熟，學術界逐漸引入數值實驗和細觀分析方法來研究滲透破壞機理[11-12]。關于滲透變形發(fā)生的臨界條件，一類研究通過力學極限平衡方法來推導臨界條件[6,13]；另一種方法則通過大量試驗進行分析，建立臨界坡降與相關因素，如滲透系數、細粒含量等之間的半經驗的理論公式[9]。

在相關滲透破壞研究成果的基礎上，結合目前大型輸水渠道的工程特點，系統(tǒng)地從滲透破壞表現形式、易發(fā)部位、發(fā)生發(fā)展規(guī)律、成因誘因等方面對輸水渠道的滲透破壞問題進行分析和總結，為認識和應對輸水渠道的滲透破壞問題提供基本資料。

1 輸水渠道滲透破壞模式

根據大型輸水渠道運行現狀調研成果，為能夠現場更加直觀地從滲透破壞險情的特征及表象上識別險情，將大型渠道的主要滲透破壞現象歸結為管涌型、流土型、集中滲漏型、散浸型、頂托型5種主要模式。不同滲透破壞模式的成因、易發(fā)部位、對工程危害都有較大不同。

1.1 管涌型破壞

土體中細顆粒在滲流作用下，沿土體骨架形成的孔隙通道流失的現象稱為管涌。管涌破壞主要發(fā)生在砂礫石等無黏性土層中。土層發(fā)生管涌的內因是填充在粗顆粒孔隙中的細粒土受約束小，能夠隨水流在孔隙中移動，形成管狀水流通道。

大型輸水渠道的管涌分為內部管涌和外部管涌。對于內部管涌，若滲流出逸區(qū)設有排水反濾體或有深厚的黏性土，則能有效阻止細粒土被滲流帶出其地基或填筑體外，細粒土逐漸淤塞滲流通道，管涌將消失。嚴重的內部管涌可能導致建筑物或填筑體發(fā)生局部沉降變形。而外部管涌，細顆粒被水流不斷帶出土體外，水流管道逐漸向內部延伸，帶出的顆粒數量、粒徑不斷增加，最終可能導致工程垮塌。

結合大型輸水渠道調研情況，易發(fā)生管涌的部位主要存在于渠道及建筑物地基中存在出露的砂礫石地層；采用砂礫石及無黏性土填筑的渠堤；挖方渠段砂礫石地層出露、上部為黏性土層下部為砂礫石層的雙層或多層地基；渠道及建筑物外側導流溝或較低的坑塘揭穿了砂礫石層等部位。

當大型輸水渠道防滲排水及反濾體系正常的情況下，發(fā)生管涌的可能性較小。一般引發(fā)管涌的誘因是外部及內部環(huán)境造成防滲體系、反濾體系或是管涌土外層黏土等保護層發(fā)生破壞。

1.2 流土型破壞

在滲透水流作用下，填筑體、土坡表面土體或顆粒群體在出逸區(qū)表面被滲流水沖動流失的現象稱為流土破壞。當滲流方向向上時，黏性土流土表現為局部土體表面出現隆起、裂縫，甚至整塊土體被滲流抬起；而砂層地表將出現小泉眼，冒氣泡，繼而發(fā)生浮動、跳躍現象。

流土破壞一般從滲流出逸區(qū)開始逐層剝離，隨著流土破壞的發(fā)生，介質表層土體的密實度逐漸下降，導致邊坡軟化或失穩(wěn)。

大型輸水渠道流土的易發(fā)部位一般有：① 渠道及建筑物地基中存在出露的細砂、粉細砂、粉土地層；② 采用建筑物外側粉質土、粉細砂填筑的填筑體，當防滲系統(tǒng)失效時，在滲流出逸區(qū)；③ 對于雙層、多層地基，上部黏性土層厚度較小，下部為砂礫石層的；④ 渠道開挖或坑塘等揭穿了上有黏性覆蓋的細粒非黏性土層時等。

輸水渠道渠堤及地基誘發(fā)流土破壞的因素與誘發(fā)管涌的外部因素基本相同。

1.3 集中滲漏型破壞

集中滲漏是指水流沿孔洞、界面空隙與裂縫空隙滲漏流動的現象。集中滲漏多發(fā)生于填筑體、結合部位的初始滲流通道或局部滲漏通道。孔洞、界面空隙與裂縫空隙在接觸沖刷的初期，漏水量少而清；隨著接觸沖刷的發(fā)展，攜帶出的土粒越來越多，滲出水量明顯增加；隨著滲流通道逐漸貫通，水流對其邊界的沖刷能力逐漸加強，滲漏出口出現時清時渾、水量時大時小的情況，空腔壁面土體發(fā)生沖刷、塌落、沉積，直至被沖走。

一旦集中滲漏通道出水，特別是出渾水時，險情將迅速發(fā)展，危及渠堤安全。若滲漏出口處排水反濾措施不足，則集中滲漏極易直接與渠道水聯通，滲漏發(fā)展速度快。

大型渠道集中滲漏主要發(fā)生在填筑體與建筑物結合部、建筑物底板與地基結合部、填筑體自身內部裂縫或孔洞等。根據輸水渠道工程特點，引發(fā)集中滲漏的誘因主要有：不均勻沉降、變形等外因導致的建筑物結合面脫開，相鄰填筑土層滲透性差異大、土巖結合面呈非整合結合狀態(tài)或結合部填土不密實導致接觸面集中滲漏，以及其他原因導致的貫穿通道等。

集中滲漏危害與管涌型破壞的危害類似，但其發(fā)展速度更快，這類險情需要及時響應。

1.4 散浸型破壞

在汛期或持續(xù)高水位情況下，滲水異常從背水側堤坡較高位置出逸，造成大面積坡面出水的現象稱為散浸。渠堤外坡面的散浸危害主要是導致坡腳軟化，降低渠道外坡的邊坡穩(wěn)定，導致邊坡局部失穩(wěn)。散浸現象的發(fā)生，說明渠堤堤身內部浸潤線抬高，會降低局部區(qū)域坡體土的抗剪強度，降低渠堤邊坡穩(wěn)定安全系數。

輸水渠道散浸型破壞的易發(fā)部位有：① 填方渠堤坡面高于渠堤坡腳設置的坡面排水反濾體高度的區(qū)域；② 高地下水位挖方渠段內邊坡一級馬道以上滲流出逸點以下的坡面；③ 挖方渠段地層中的砂礫石強透水地層在大氣降水或地下水位短期上升期間，強透水層下方渠道坡面等。

散浸情況發(fā)生的誘因主要有：填方渠道外坡腳的貼坡排水體排水不暢、堤身存在水平滲透弱面、堤身填筑材料滲透特性的非均勻性、外因導致的邊坡地下水位上升等。

1.5 頂托型破壞

對于渠堤、渠堤外坡腳地面、挖方渠道邊坡浸潤線以下土層，當滲流出水口土層的滲透系數小于內部土層時，出口處的透水體將承受較大的滲流水頭，以至于使其發(fā)生隆起、開裂、浮起、滑動失穩(wěn)破壞的現象，可歸結為頂托型破壞。對于大型輸水渠道，頂托型破壞主要體現在混凝土襯砌的隆起、開裂等變形，是比較常見的破壞模式。

頂托破壞現象的發(fā)生主要是由于某一土層或結構體承擔的地下水頂托力過高而發(fā)生失穩(wěn)破壞。結合輸水渠道特點，其易發(fā)部位有：① 填方渠道外坡腳的貼坡排水采用現澆混凝土面板進行保護的，且排水層失效；② 填方渠道渠堤建基面河床地基中存在埋置深度較淺的強透水地層，表層覆蓋弱透水層，因地下水升高等原因導致弱透水層底板承擔的水壓力升高；③ 渠道襯砌、防滲體下方排水不暢，而渠道水位大幅度快速下降；④ 排水體出口處排水反濾體排水功能失效或排水功能大幅度下降，排水反濾體承擔過大的水頭等。

2 滲透破壞形式判別及臨界坡降

渠道滲透變形與地質條件、土的級配、水力條件、防滲排水措施等因素有關。輸水渠道以上5種主要破壞模式，從破壞機理上屬于土體管涌、流土、接觸沖刷3種滲透破壞形式，其中管涌型及流土型機理上分別對應管涌和流土兩種破壞形式，集中滲漏型引發(fā)的滲透破壞實質是接觸沖刷，頂托型破壞機理上是流土，而散浸型主要是浸潤線異常抬高造成的。

要正確分析大型渠道滲透變形情況，必須先確定滲透變形的形式，其中接觸沖刷比較容易識別，主要是區(qū)分最常見的流土和管涌。判別流土和管涌的方法比較多，如不均勻系數判斷法、孔隙直徑與填料粒徑之比判別法、土體的細粒含量判別法[2-4]。

隨著試驗研究的不斷深人，人們越來越認識到細粒含量是影響土體滲透性能和滲透變形的主要因素，因此推薦采用下式：

(1)

(2)

工程中一般通過判斷滲透坡降是否超過臨界滲透坡降來判斷是否發(fā)生滲透破壞。對于流土的臨界坡降，Terzaghi[14]基于土體中垂向力的平衡分析，提出了滲流臨界坡降Jc計算公式：

Jc=(Gs-1)(1-n)

(3)

式中,Gs為土粒比重；n為孔隙率。但是上式求得的Jc值偏小，一些學者在Terzaghi公式的基礎上進行了修正，考慮了土體摩擦力及顆粒形狀的影響，推薦采用下式:

Jc=α(Gs-1)(1-n)

(4)

式中,α為土粒顆粒的形狀參數，表示不規(guī)則顆粒與等體積球形顆粒兩者表面積之比值，對于各種砂礫(如粗砂、中砂、細砂、粉砂等)，根據相關試驗資料，α=1.16～1.17；對于有銳角的不規(guī)則顆粒α=1.5，對于各種顆粒混合的砂礫料可近似地取α=1.33。

管涌的臨界坡降計算方法尚未統(tǒng)一，目前研究的方法主要有兩種：一種是根據試驗資料繪制臨界坡降與相關因素之間的經驗關系；另一種是從理論上根據單個顆粒在土體中的受力情況，推導出發(fā)生管涌的臨界坡降。

管涌的臨界坡降可按下式簡單計算[3]：

(5)

(6)

式中，dz為土的粗細顆粒分界粒徑，mm,Pz為小于dz的土粒百分數含量，%；n為土的孔隙率；d5，d15，d85為土顆粒級配曲線上小于該粒徑的含量占總重量為5%、15%、85%的顆粒粒徑。

以上計算考慮的是滲流自上而下時的臨界滲透坡降，當滲流方向不同時，平衡條件也不同，臨界滲透坡降也是不同的。對于渠堤的自由出滲邊界，土體的穩(wěn)定性受沿坡面下滑控制。土體間的摩擦力為φ及凝聚力為C，α為坡面出滲的流線傾角，β為邊坡傾角，如圖1所示，根據沿坡面的力平衡有臨界滲透坡降[3]：

(7)

式中,γ′為土體浮容重，因出滲點流線基本沿坡面方向，有β=α，此時最易破壞，有

(8)

圖1 渠堤的出滲邊界示意Fig.1 The infiltration boundary of embankment

3 典型渠段滲透破壞分析

南水北調中線總干渠明渠段均采用梯形斷面，橫斷面型式分為全挖方斷面、全填方斷面、半挖半填斷面3種類型。本文選取最具代表性的梯形全填方斷面，結合干渠黃河北-漳河南總干渠實際地質進行概化。概化模型的渠堤填筑高度10 m，背水側高程4.0 m處設一級馬道，馬道寬度2.0 m，上下游側邊坡坡比均為1∶2.0。計算采用Geostudio 2004巖土分析軟件，二維計算斷面及網格如圖2所示，共劃分四邊形單元10 154個，節(jié)點數10 220。

筑堤填料為粉質壤土，黏粒含量滲透系數為5×10-5cm/s，地基為均勻弱透水地層，地基滲透系數為1×10-4cm/s，全斷面采用混凝土襯砌防滲，混凝土襯砌厚度8 cm，滲透系數取1×10-7cm/s，墊層厚度15 cm，滲透系數取1×10-2cm/s。渠道設計水深8 m，渠道過水斷面取等水頭為入滲邊界，渠道外側取自由出滲邊界。

填料黏粒含量24.5%，塑性指數12.3，有機質含量0.28%，滲透系數5×10-5cm/s，土顆粒比重2.70～2.71，天然孔隙比0.665～0.680，天然含水量21.8%～21.9%，天然密度1.52～1.64 g/cm3，凝聚力12～18 kPa，摩擦角20°～30°。

分析襯砌防滲及失效兩種穩(wěn)定滲流工況，滲流計算等水頭線見圖3～4，滲流成果見表1。從滲流結果可以看出，襯砌防滲條件下，襯砌結構大大降低了堤身承擔的水頭，堤身浸潤線也大大降低，下游面的溢出點高程也能顯著降低。南水北調中線干渠投入運行后，由于施工縫、結構縫以及渠道變形等因素，經常出現襯砌防滲失效的情況，襯砌防滲失效后，水頭主要由堤身承擔，浸潤線會抬高，邊坡的溢出比降也將增大，堤身滲漏量將顯著增加。

圖2 計算模型及網格Fig.2 Calculation model and FEM meshing

粉質壤土屬于黏性土，根據以上分析其滲透破壞形式為流土。根據填料的基本參數，水的容重γ=9.8 kN/m3，φ=25°,C=12 kPa,Gs=2.70,e=0.68，浮容重γ′=(Gs-1)γ/(1+e)=9.9 kN/m3。由滲流分析成果可知兩種工況下滲流都從下游堤身出溢，根據以上分析，出滲點的臨界滲透坡降可根據式(8)計算，Jc=1.19。

表1 滲流分析計算成果Tab.1 Results of seepage calculation

圖3 襯砌防滲工況總水頭等值線(單位：m)Fig.3 Total head contours when concrete slab liner working

圖4 襯砌失效工況總水頭等值線(單位：m)Fig.4 Total head contours when concrete slab liner failed

工程應用中一般以土的臨界水力比降除以1.5～2.0的安全系數K得到土的允許滲透比降，取K=2，即[J]=Jc/K=1.19/2=0.595。可見兩種工況下計算比降小于允許比降，采用粉質壤土填筑，渠堤在溢出點的滲透穩(wěn)定滿足要求。

計算渠基介質的臨界水力比降，根據滲流場的特點，渠堤下部渠基滲流流線基本從上游水平指向下游，則β=α=0，Jc=(γ′tanφ+C)/γ。而下游側堤腳附近，滲流場流線方向逐漸變?yōu)樨Q直向上，此時可采用式(4)分析。可見，要分析渠堤渠基滲透破壞狀態(tài)，需要綜合考慮滲流部位、滲流方向、滲透介質、滲流場分布等因素。

4 結 語

為了能夠在現場更加直觀地從滲透破壞險情的特征及表象上識別險情，將大型渠道的主要滲透破壞現象歸結為管涌型、流土型、集中滲漏型、散浸型、頂托型5種主要模式。

本文根據現有研究成果分析討論了大型渠道管涌和流土兩種滲透破壞形式的臨界滲透比降的計算方法。分析表明，要正確判斷滲透破壞是否發(fā)生，要綜合考慮滲流部位、滲流方向、滲透介質、滲流場分布等因素。