1、第七章冲积型地基堤坝工程渗流控制 渗流控制的主要任务控制的方法和途径垂直防渗方案研究 第一节渗流控制的主要任务 必要性 冲积型地基分布广 长江 黄河 珠江三角洲 江河湖泊平原 冲积地基工程最大问题 渗流1 堤防傍河而建 堤线受河势制约 2 堤身填筑质量差 3 堤后坑塘多 天然弱透水覆盖层被削弱 第一节渗流控制的主要任务 堤基渗透破坏的成因和分类 堤基的渗透破坏常表现为泡泉 沙沸 土层隆起 浮动 膨胀 断裂等 通常统称为管涌 堤基的渗透破坏一般均为土力学中的流土破坏 产生的原因 随着汛期水位的升高 背水侧堤基的渗透出逸坡降增大 一旦超过堤基的抗渗临界坡降就会产生渗透破坏 第一节渗流控制的主要任务
2、 堤基渗透破坏的成因和分类 渗透破坏首先在堤基的薄弱环节出现 如坑塘或表土层较薄的位置 对近似均质的透水堤基 渗透破坏首先发生的堤脚处 堤基管涌 尤其是近堤脚的管涌 发展速度快 容易形成管涌洞 对管涌堤段必须进行除险加固 堤身直接座落在砂砾石强透水层上 或座落在强风化的岩基上 则在堤身与堤基的结合面也可能发生接触冲刷或接触流土破坏 第一节渗流控制的主要任务 渗流控制的主要任务降低渗流水头堤坝渗流水头越大 下游边坡稳定性越差 坡脚附近易发生浸水 散浸 流土险情 减小渗透坡降实际渗透坡降超出土的允许渗透坡降 控制渗流量不可避免 控制在允许范围内 水库库水缺失 堤防背水侧沼泽化 抬高农田水位 第二节
3、控制的途径和方法 控制的途径和方法控制途径 防渗 排渗 压渗 渗流出口设反滤层 第二节控制的途径和方法 防渗在坝体 堤身及地基上利用弱透水材料 黏土 水泥土 混凝土 沥青混凝土 防渗土工塑膜等 做成防渗体 以消杀部分水头 同时减小渗透坡降和渗透量 形式 垂直防渗 水平防渗 第二节控制的途径和方法 垂直防渗原则 符合前堵后排的原则 堤身和堤基渗流控制措施统一考虑的原则方案的选择主要考虑适应工程性质 条件 可满足工程防渗目的和要求 有一定的防渗标准 工程费用较低等因素 堤身 截渗墙 薄防渗墙 定摆喷 板桩墙 劈裂灌浆等防渗体 在防渗体不能和地基防渗措施统筹实施时 可考虑截渗墙方案 第二节控制的途径
4、和方法 堤基 透水堤基垂直防渗处理可采用截水槽 截渗墙等作为防渗体 材料 粘性土 土工膜 固化灰浆 水泥 水泥砂浆 混凝土 塑性混凝土 沥青混凝土 化学材料 施工 人工开挖 机械开挖 铺设 冲击钻 回转钻 抓斗 轮铣 射水 锯槽 斗式 多头钻 定摆喷 灌浆 板桩 搅拌桩等技术 其厚度和设置方式应满足材料允许渗透坡降要求 其防渗性能 效果应符合防渗要求和适应防渗体的布置 第二节控制的途径和方法 垂直防渗传统 心墙 斜墙 截水槽 和灌浆帷幕高土石坝 沥青混凝土 混凝土防渗墙既有土石坝和堤防 高压喷射注浆法 深层水泥土搅拌 劈裂灌浆 冲抓套井回填黏土 坝体垂直铺塑或上游坡铺塑 土工复合膜 等 第二节
5、控制的途径和方法 几种垂直防渗与地基加固方法的比较在堤防除险加固工程中 比较适用的有灌浆法 防渗墙法 高压喷射灌浆法 深层搅拌法和振冲法等几种 其中灌浆法 防渗墙法高压喷射灌浆法和深层搅拌法既可以做成防渗墙 处理地基渗漏问题 也可以用于地基加固 而振冲法 强夯法 排水固结法等可应用于新建或改建堤防工程中 几种主要垂直防渗与地基加固方法的比较 几种主要垂直防渗与地基加固方法的比较 第二节控制的途径和方法 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 垂直铺塑在堤顶沿大堤走向用开槽机在堤身内
6、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 第二节控制的途径和方法 劈裂灌浆利用堤身的最小主应力面和堤轴线方向一致的规律 以土体水力劈裂原理 沿堤轴线布孔 在灌浆压力下 以适宜的浆液为能量载体 有控制地劈裂堤身 在堤身形成密实 竖直 连续 一定厚度 10 50cm 的浆液防渗固结体 同时与浆脉连通的所有裂缝 洞穴等隐患均可被浆液充填密实 适应于处理堤身浸润线出溢点过高 有散浸现象 裂缝 不包括滑坡裂缝 各种洞穴 第二节控制的途径和方法 劈裂灌浆方法 一次成孔 采用取土钻头干钻钻进或冲击锤头锥击钻进 可泥浆循环护壁 多采用单排布孔 孔距5 10m 弯曲堤段适当缩
7、小孔距 要求 少灌多次 分序灌浆 推迟坝面裂缝的出现和控制裂缝的开度在3cm之内 并在灌后能基本闭合 每孔灌浆次数应在5次以上 每次灌浆量控制在每米0 5 1m3之间 形成的脉状泥墙厚度应在5 20cm之间 一年后脉状泥墙的容重应大于14kN m3 一般可达15 17KN m3 水平向渗透系数达10 6 10 8cm s 第二节控制的途径和方法 灌浆孔口压力 以产生沿堤线方向脉状扩散形成一连续的防渗体 但又不得产生有害的水平脉状扩散和变形为准 需要现场灌浆试验或施工前期确定 堤防灌浆口压力多在0 1 1MPa间 控制参数 起始劈裂压力 裂缝的扩展压力 最大控制灌浆压力 应根据不同情况通过经验和
8、灌浆试验确定 第二节控制的途径和方法 注意 应在不挡水的枯水期进行 同时应核算灌浆期堤坡的稳定性 进行堤身变形 裂缝等观测 以策安全 对于较宽的堤防 也应核算堤身应力分布 避免贯穿性横缝产生 灌浆效果检查 标准贯入试验 弹性波法 现场透水试验 现场载荷试验等 第二节控制的途径和方法 冲抓套井回填黏土防渗墙利用冲抓式打井机具 在土坝或堤坝渗漏范围的防渗体中造孔 用粘性土料分层回填夯实 形成连续的黏土防渗墙 同时 回填夯击时 挤压井壁土层 密实周围土体 注意 用于高度小于25m的坝体 雨季 水下施工困难 坝基渗漏难保证 第二节控制的途径和方法 垂直铺塑防渗用专门的开沟槽机械在泥浆护壁情况下开出0
9、15 0 3m宽的沟槽 在沟槽中用铺膜机铺设土工膜后用土回填沟槽 形成以塑膜为主体的防渗体 对解决堤身 坝体 坝高小于20m 散浸 集中渗流 堤脚附近的渗透破坏等效果显著 第二节控制的途径和方法 水平防渗在坝基上游地基上做黏土铺盖或水平铺塑 作用 不能截断渗流 可延长渗径 减小渗透坡降 渗流量和扬水压力 坝基渗透性很强时应与坝后盖重压渗措施相结合 或改用垂直防渗措施 第二节控制的途径和方法 排渗将强透水材料设置在堤坝内部与地基的一些渗流坡降较大的部位作排水体 使渗透压力提前释放 并通过排水体自由地排向下游 以保证建筑物的稳定性 排渗形式 垂直 直立式排水 贴坡排水 深入地基的减压沟 减压井水平
10、 坝体内的褥垫排水 管式排水 下游坝址导渗排水 第二节控制的途径和方法 排渗 第二节控制的途径和方法 砂砾料贴坡排水示意图 土工织物反滤层贴坡排水示意图 第二节控制的途径和方法 透水压浸平台一般适用于散浸严重 堤身断面单薄 背水坡较陡 外滩狭窄的情况 应采用比堤身透水性大的材料填筑 高度应高出渗水的最高出逸点0 5 1 0m 顶宽2 4m 坡度1 3 1 5 长度应超出散浸堤段两端各5m 戗体材料渗透性大断面可小一些 相反则应大一些 当堤身较高时可采用两级或多级平台 第二节控制的途径和方法 透水压浸平台示意图 第二节控制的途径和方法 水平排水这种方法只有在堤坝加高培厚和增设压渗台时才可能应用
11、水平排水不但可以降低堤身的浸润线 对透水堤基还可以有效降低堤基的出逸比降 但会使堤基的渗流量有所增加 水平排水的长度 厚度应根据渗流计算来确定 当采用砂砾料 土工织物做水平排水体的材料时 材料的选择和施工要求应按照反滤层的设计和施工要求严格执行 第二节控制的途径和方法 排水沟排水沟比较适用于 双层结构 表土层较薄 下卧透水层较均匀的地基 透水性均匀的单层结构地基以及上层透水性大于下层的双层结构地基 排水沟一般要与背水侧压渗盖重联合使用 此时排水沟应布置在盖重的端部 排水沟的几何尺寸取决于预计的渗流量 期望的渗流控制效果 施工的实际情况以及排水沟开挖地点的材料稳定性 并且要挖穿表层弱透水层 同时
12、排水沟的周边应设置反滤排水层 以防排水沟发生渗透破坏 排水沟的渗流控制效果应通过理论或数值计算确定 第二节控制的途径和方法 水平排水的效果示意图 第二节控制的途径和方法 背水侧盖重压渗堤坝强透水层深厚 垂直防渗不现实 水平效果不好时使用 剩余水头很大时 宜盖重压渗与反滤导渗 反滤排水沟 反滤减压井 相结合 第二节控制的途径和方法 背水侧盖重压渗 背水侧反滤压盖 背水侧反滤压盖 第二节控制的途径和方法 排水减压井减压井比较适用于表土层和透水层均较厚的双层堤基 多层堤基以及含水层成层性显著或透镜体较多的地基 此时采用封闭式垂直防渗幕墙成本太高或不可能 悬挂式垂直防渗效果很差 减压沟由于开挖较深也不
13、宜采用 当然 对表土层较薄的双层或多层地基也可以使用排水减压井 实践表明 如果减压井不被淤堵 其渗流控制效果非常显著 并逐渐适用于所有地基情况 第二节控制的途径和方法 减压井结构图 第二节控制的途径和方法 排水减压井布置 应尽量布置在背水堤脚附近 以便有效控制堤基渗流 从安全性考虑 减压井一般是布置在背水侧压渗盖重端部 并与明沟相通 渗水通过明沟排走 间距一般为15 20m 透水管段应设在主要的透水层 在堤基为分层结构时更是如此 透水段的长度应大于主要透水层厚度的25 一般多采用50 75 井径应能允许最大设计流量通过而不发生过大的水头损失 直径不应小于15cm 井径宜大不宜小 井口高程越低
14、减压效果越好 但井口高程应高于井不排水时排水沟中可能出现的最高水位 以防泥水倒灌 第二节控制的途径和方法 排水减压井组成 由进水花管 升水管和井口 井帽和出水口三部分组成 井管应采用耐腐蚀的材料 聚乙烯或塑料管 为防止或延缓淤堵 管径应大一些 花管外应填反滤料 花管开孔率一般为10 20 开孔可采用圆孔 条形孔等形式 效果 竣工初期很好 随着时间的推移 由于透水段的机械和化学淤堵 减压井的流量逐渐减小 影响减压井推广应用 使用过程中应避免减压井管被堵塞和淤塞 根据需要可定期进行洗井 第三节垂直防渗方案研究 冲积型堤坝地基结构类型和特点防渗墙布设方案与土层结构的关系防渗墙合理设计标准研究 第三节
15、垂直防渗方案研究 冲积型堤坝地基结构类型和特点按砂层埋藏分布和渗流特点分三类 1 双层结构堤基 表层为弱透水性黏土层 粉质黏土或淤泥质土层 下卧强透水的粉细砂层或砂砾石层 砂层渗流为承压渗流 表土层较薄时 堤防背水侧砂基渗流压力超过表土层有效盖重 渗流易顶穿覆盖层使地基发生渗透破坏 第三节垂直防渗方案研究 双层结构堤基 第三节垂直防渗方案研究 2 浅砂层表露堤基 堤身直接建在浅砂层地基上 堤基极易发生渗透变形 单一匀质砂基亦属此类 第三节垂直防渗方案研究 浅砂层表露堤基 第三节垂直防渗方案研究 3 多层堤基 表层为弱覆盖层 下为较浅的砂层 其下又为黏土层再下为深厚砂层或砂卵石层 夹层堤基除具双
16、层堤基相似的渗流特性 还具渗流各向异性 不同土层之间存在越层渗流 含弱透水透镜体或强透水透镜体的堤基也属此类 第三节垂直防渗方案研究 多层堤基 第三节垂直防渗方案研究 防渗墙布设方案与土层结构的关系1 双层地基防渗墙布置垂直防渗应布置在临水堤脚或堤顶靠临水侧 适用于地基透水层较薄 隔水层较浅的情况 此时可以做成封闭式防渗幕墙 堤基的渗流量和扬压力可以得到有效控制 从而可以达到根治堤基渗透破坏的目的 计算表明 可削减40 以上的水头 渗流出口处的渗透坡降减小 坝体浸润线明显下降 第三节垂直防渗方案研究 封闭式与悬挂式的效果比较 第三节垂直防渗方案研究 对双层或多层透水地基且透水层较深的情况 悬挂
17、式垂直防渗幕墙的效果很差 封闭式垂直防渗难度大且造价太高 不宜采用 对多层地基且存在浅层弱透水层的情况 可以考虑半封闭式垂直防渗 但必须在勘察资料充分并经渗流计算充分论证后方可采用 垂直防渗应布置在临水堤脚或堤顶靠临水侧 第三节垂直防渗方案研究 防渗墙布设方案与土层结构的关系2 有弱透水夹层基的防渗墙布置当弱透水夹层连续且具有足够大的厚度和足够小的渗透性 全封闭式与半封闭式防渗墙防渗效果接近 第三节垂直防渗方案研究 多层地基堤坝防渗墙布置方案及防渗效果比较 第三节垂直防渗方案研究 防渗墙布设方案与土层结构的关系3 无弱透水覆盖层堤基防渗墙布置当坝基为均质透水地基或浅砂层表露或覆盖层较薄且渗透性
18、不够小时 防渗墙不能沿临水侧坡脚附近布置 应布置在坝顶下方 否则河水易从坡脚附近越过防渗墙进入坝基强透水层 使防渗墙失效 第三节垂直防渗方案研究 无弱透水覆盖层堤基防渗墙布置 第三节垂直防渗方案研究 4 坝体防渗墙布置 堤坝背水坡的散浸 流土险情原因 地基为双层地基 且缺乏地基渗流控制 堤坝分层填筑时 某层次碾压不实或层间处理差 堤坝由若干次加高培厚形成 新老土层结合不良 固结密实度不均 坝身有较大渗透性堤坝过于单薄堤坝存在裂缝 蚁穴或空洞等隐患 第三节垂直防渗方案研究 4 坝体防渗墙布置 相对不透水层地基的渗流控制 在坝体垂直铺塑 劈裂灌浆 临水坡铺设土工防渗膜 背水坡设反滤导渗沟或坡脚设排
19、水暗管 坝基 坝体存在隐患的堤坝工程 地基透水层不太厚时 从坝顶下方建防渗墙 墙顶高过最高洪水位所形成的浸润线 第三节垂直防渗方案研究 坝基 坝体存在隐患的防渗墙布置 第三节垂直防渗方案研究 防渗墙合理设计标准研究1 防渗墙渗透系数的合理取值范围土石坝防渗设计 黏土心墙 斜墙的渗透系数小于坝壳材料的1 100 黏土铺盖 截水槽小于透水地基1 100 结论 防渗墙较薄 堤防防渗墙是堤基强透水层的1 1000 10000 具体取值与地表弱透水层的渗透性及厚度有关 K墙 K基 1000时 防渗墙作用不明显 减小防渗墙的渗透性所增加的防渗效果也不明显 第三节垂直防渗方案研究 防渗墙合理设计标准研究2 防渗墙厚度与防渗效果的关系增加防渗墙的厚度提高防渗效果不经济 效果不明显
