堤防滲漏險(xiǎn)情現(xiàn)象模擬中不同級(jí)配骨料模擬效果研究

◎鄒驥 李凌云 李享 長(zhǎng)江科學(xué)院水利部長(zhǎng)江中下游河湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

1.序言

在高水位的長(zhǎng)時(shí)間作用下，在堤防背水坡或者堤腳附近出現(xiàn)漏水的孔洞，這種現(xiàn)象叫做堤防漏洞。堤防漏洞是土質(zhì)堤防常見的險(xiǎn)情之一。造成漏洞的原因主要有堤防填筑質(zhì)量差、地基的不均勻沉降、堤基的滲漏、堤身內(nèi)部存在動(dòng)物筑巢或腐爛木料等[1-2]。在堤防發(fā)生漏洞險(xiǎn)情時(shí)，若不及時(shí)加以搶護(hù)，就會(huì)造成堤防潰決的情況。堤防堤身在汛期發(fā)生漏洞險(xiǎn)情十分常見，2020年7月的險(xiǎn)情統(tǒng)計(jì)顯示，長(zhǎng)江干堤各類型險(xiǎn)情共155處，其中由于堤防滲漏引起的各種次生險(xiǎn)情99處，總比例占64%。目前對(duì)于堤防滲漏的研究主要集中在滲漏現(xiàn)象的探測(cè)與搶護(hù)上[3-8]，此類的研究大多在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原觀實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室模擬的情況較少。但堤防滲漏現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)室模擬，對(duì)進(jìn)一步研究堤防滲漏的搶護(hù)措施有著十分重要的意義。

在堤防滲漏現(xiàn)象的模擬中，完整滲漏通道的形成時(shí)間這一因素十分重要。當(dāng)完整滲漏通道形成時(shí)間過短時(shí)，滲漏通道中的細(xì)顆粒泥沙將會(huì)快速被帶走，實(shí)驗(yàn)人員不具備充足的時(shí)間去完成后續(xù)的實(shí)驗(yàn)步驟，影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)效果。當(dāng)完整滲漏通道形成時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，會(huì)增大實(shí)驗(yàn)的時(shí)間成本，實(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)性降低。因此考慮完整滲漏通道形成的時(shí)間為1h左右較為合適。本次實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)不同級(jí)配的骨料摻混后的堤防滲漏險(xiǎn)情模擬效果不清晰，選取石、沙、粘土三種不同類型骨料，對(duì)堤防的滲漏現(xiàn)象進(jìn)行了模擬，通過對(duì)比水體在不同配比摻混后的骨料材料中形成完整滲透通道的時(shí)間，分析了不同級(jí)配骨料對(duì)堤防滲漏現(xiàn)象模擬效果的影響，推薦了合適的模擬配比。

2.試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)場(chǎng)地長(zhǎng)1.2m，寬0.6m，高0.6m。根據(jù)實(shí)地查勘，堤防滲漏現(xiàn)象發(fā)生的區(qū)域主要集中在堤身、地基的薄弱層或堤防與地基的交界處，考慮本次實(shí)驗(yàn)需盡可能還原真實(shí)堤防滲漏險(xiǎn)情發(fā)生的情況，此次實(shí)驗(yàn)裝置由下層20cm厚的透水層和上層20cm高的擋水構(gòu)筑物組成。擋水構(gòu)筑物按照實(shí)際堤防概化而成，底寬0.8m，頂寬0.1m，高0.2m，迎水面坡比1:2，背水面坡比1:1.5。底層透水層采用不用級(jí)配骨料填筑而成，每次實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行更換，具體布置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置立面圖（圖中數(shù)字單位為＊10cm）

2.2 試驗(yàn)材料的選取

2.2.1 擋水構(gòu)筑物材料的選取

擋水構(gòu)筑物材料為天然粘土。經(jīng)過人工篩分、碾碎后形成顆粒狀。所選土體顆粒小（d50=0.011mm），在遇水后凝聚力約為50kPa，內(nèi)摩擦角22°，滲透系數(shù)約為0.005m/d，綜合考慮適合作為擋水構(gòu)筑物，材料級(jí)配曲線如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)材料級(jí)配曲線

2.2.2 底層材料的選取

底層材料采用粘土、黃沙、瓜米石三種材料按一定配比組合而成。其中，粘土的中值粒徑d 50=0.011 mm、瓜米石中值粒徑d 50=6.9 mm，黃沙中值粒徑d50=0.78mm，各類材料級(jí)配曲線如圖2所示。

本次試驗(yàn)通過改變底層材料的配比來研究不同級(jí)配骨料對(duì)堤防漏洞現(xiàn)象模擬效果。試驗(yàn)共選取三種不同級(jí)配骨料，粘土、黃沙、瓜米石三種材料質(zhì)量比分別為1:1:1、1:1:1.5、1:1.5:1（表1），組合后不同試驗(yàn)方案下底層材料的級(jí)配曲線見圖3。

表1 底層材料對(duì)比試驗(yàn)組次表

圖3 不同方案下底層材料級(jí)配曲線

3.試驗(yàn)成果

3.1 擋水材料性能試驗(yàn)

將處理后的粘土構(gòu)筑成堤防形式。在一側(cè)加入水后，靜置一段時(shí)間，觀察構(gòu)筑物破壞情況。試驗(yàn)過程如圖4所示，試驗(yàn)表明，注水后10h堤防基本保持完整，背水側(cè)無水流滲出。24h后迎水面堤防出現(xiàn)少量損壞，背水面出現(xiàn)少量滲透水。48h后迎水面堤防出現(xiàn)大量的損壞，背水面出現(xiàn)大量的滲透水。在堤防漏洞模擬試驗(yàn)中，單次試驗(yàn)的時(shí)長(zhǎng)一般不超過2h，因此擋水構(gòu)筑物可以滿足試驗(yàn)需求。

圖4 擋水構(gòu)筑物擋水性能測(cè)試

3.2 透水材料性能試驗(yàn)

將三種不同配比的透水性材料分別鋪至底層，其余條件保持一致。試驗(yàn)過程中裝置左側(cè)保持20cm水頭不變。觀測(cè)不同時(shí)間點(diǎn)滲透水在底層材料中平均位置。總體來說，水流在底層土體中滲漏的速度先快后慢。從縱向分布上來看，在開始滲漏時(shí)，水流在土體上部的滲漏速度要大于下部，當(dāng)水流在土體滲漏距離達(dá)到全部滲漏距離的1/2左右時(shí)，水流在土體下部的滲漏速度開始逐漸快于水流在土體上部的滲漏速度。

從不同的工況情況來看，在方案1即粘土、黃沙、瓜米石三種材料質(zhì)量比為1:1:1時(shí)，試驗(yàn)過程如圖5（a）所示，在迎水面注滿水10min后，底層的滲漏距離達(dá)到全部滲漏距離的1/2；30min后，底層的滲漏距離達(dá)到全部滲漏距離；60min后，堤防背水面開始有水體滲出，底層材料形成完整的滲漏通道。

圖5 不同方案的堤防滲漏形成過程

在方案2即粘土、黃沙、瓜米石三種材料質(zhì)量比為1:1:1.5時(shí)，試驗(yàn)過程如圖5（b）所示，在迎水面注滿水8min后，底層的滲漏距離達(dá)到全部滲漏距離的1/2；30min后，底層的滲漏距離達(dá)到全部滲漏距離；40min后，堤防背水面開始有水體滲出，底層材料形成完整的滲漏通道。

在方案3即粘土、黃沙、瓜米石三種材料質(zhì)量比為1:1.5:1時(shí)，試驗(yàn)過程如圖5（c）所示，在迎水面注滿水14min后，底層的滲漏距離達(dá)到全部滲漏距離的1/2；46min后，底層的滲漏距離達(dá)到全部滲漏距離；80min后，堤防背水面開始有水體滲出，底層材料形成完整的滲漏通道。

不同底層材料平均滲透距離和時(shí)間的關(guān)系曲線如圖6所示。在底層瓜米石材料越多的情況下，土體中孔隙越大，土體越松散，滲漏相同距離的時(shí)間越短。反之，底層黃沙材料越多的情況下，土體中孔隙被細(xì)顆粒的黃沙填充，土體密實(shí)程度增加，滲漏相同距離的時(shí)間變長(zhǎng)。

圖6 不同級(jí)配骨料時(shí)平均滲漏距離與時(shí)間的關(guān)系

4.結(jié)論

本次試驗(yàn)通過不同配比摻混后的骨料對(duì)堤防的漏洞現(xiàn)象模擬效果的對(duì)比，分析了不同粒徑組的顆粒對(duì)模擬效果的影響。主要通過本次試驗(yàn)，主要得到的結(jié)論如下：

（1）從縱向分布上來看，在開始滲漏時(shí)，水流在土體上部的滲漏速度要大于下部，當(dāng)水流在土體滲漏距離達(dá)到全部滲漏距離的1/2左右時(shí)，水流在土體下部的滲漏速度開始逐漸快于水流在土體上部的滲漏速度。

（2）當(dāng)粘土、黃沙、瓜米石三種材料質(zhì)量比為1:1:1時(shí)，形成完整滲漏通道的時(shí)間為60min，堤防漏洞的現(xiàn)象的模擬效果最為合適。