（水工结构工程专业论文）江河大堤渗流破坏机理和控制措施研究.pdf

江河大堤渗流破坏机理和控制措旋研究 摘要 本文从实测资料分析和汛期险情资料入手，针对堤防渗透变形破坏和有效 防治这两个与工程实践密切相关的关键科学问题，开展了较为深入的研究，主 要研究内容及相应研究成果如下： ( 1 ) 基于分析汛期( 特别是1 9 9 8 年大洪水) 典型堤防渗流破坏实例，进 行了理论分析计算和模型试验，研究了堤防管涌发生机理和发展规律，得出了 判别堤防管涌发生和发展的临界渗透破坏坡降，揭示了管涌发生发展破坏与堤 后距离、土层分布和渗透性、水头差等几何条件和水力条件的关系，得出管涌 发展破坏的实例模型，给出了发展性管涌破坏的判别准则和管涌抢险合理范围， 指出堤防破坏主要在于发展性管涌； ( 2 ) 结合1 9 9 8 年大堤管涌破坏实例进行反馈分析，分析各种防渗措施对管 涌破坏的防治作用，提出有助于解决实际问题的成果； 3 ) 针对典型堤防十多年的原型观测资料，进行了过程线分析、特征线分 析、断面分析、出流量分析和多元回归模型统计分析等一系列分析计算，系统 研究了堤防渗流安全现状和减压井的效果以及存在问题，分析了减压井淤堵机 理和成因，并进行了试验论证，根据减压井淤堵原因提出了恢复井效的新型洗 并方法和工艺“抽注水循环往返式硬向流并法“，通过室内外试验，该法能 有效恢复减压爿二这一价廉物美的防渗措施的功效，可大大节省加固投资，确保 大堤防汛安全； ( 4 ) 针对长江堤防特征在总结分析国内外吹填压盖方法的基础上运用压盖 计算方法，得出堤内压盖土方案( 压土宽度、厚度及其合理布局) ，并针对典型 堤段加固压盖方案应月j 非稳定渗流有限元程序u n s s t 2 ，对典型断面进行了渗流 冯蔼耀霈貊薅矗嚣提出了园地制宜的大堤渗流控制优化方案和安全运行措施； 本文成果将大大提高对堤防防灾减灾和安全鉴定水平，对提高堤防没计旄 工管理水平起到重要指导作用，为堤防工程的加倒整治、防汛决策和运行管理 提供科学依据。 关键词：堤防 管涌破坏渗流数值模型多元回归模型渗流控制措施 s t u d yo nt h er i v e rl e v e e sp i p i n gm e c h a n i s m a n ds e e p a g ec o n t r o lm e a s u r e a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e do b s e r v e dd a t aa n dr i s k ys i t u a t i o no ft h el e v e e ，c a r r i e d t h r o u g ht h ei n d e p t hr e s e a r c ho ft w op r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m sa sp i p i n ga n d v a l i dp r e v e n t i o np i p i n g s p e c i a lt o p i c s ，a i m i n ga tt h ep r o b l e mi nt h et y p i c a ll e v e eo f f a i l u r eb yp i p i n ge x a m p l e ，w e r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d ，n u m e r i c a l l yc o m p u t e da n d t e s t e d t h er e s e a r c hc o n t e n l sa n dr e s e a r c hr e s u l tw e r em a i n l ya s f o l l o w s ：( ) a c q u i r e m e n to ft h ec r i t i c a lg r a d i e n ta n dd e s i g ng r a d i e n to f t h ep i p i n gi nt h ed i n g m a l e v e e ；( 2 ) t h er e l a t i o nb e t w e e np i p i n gh a z a r d o u sd e g r e ea n dt h es o i ll a y e rs t r u c t u r eo f l e v e ef o u n d a t i o na n db e t w e e np i p i n gh a z a r d o u sd e g r e ea n dt h ed i s t a n c eo fp i p i n g o c c u r r e r l c et oi e v e et o e ；( 3 ) r e v e r s i b l et w o w a yw a s h i n gm e t h o do fr e s t o r i n gt h e e f f e c t i v e n e s so fr e l i e fw e l l ；( 4 ) a p p l yo ft mc o m p u t a t i o n a lm e t h o da n df o r m u l at o d e s i g nt h ew i d t h ，t h i e k n e s sa n d a y o mo ft a ec o v e r i n gw 呜如o f e a r t hb l a n k e t ；( 5 ) f o r t h es t u d yo i lt h et r a n s i e n tf l o wd e v e l o p m e n tp r o c e d u r eo ft h eu n s t e a d yl e v e es e e p a g e a p p l yt 0t h ec o m p u t a t i o np r o g r a m ( u n s s t 2 ) ；f 6 ) r e s e a r c ho ft h ee f f e c t i v e n e s sa n d t h ef u n c t i o no ft h es e e p a g ec o n t r o lo fs u s p e n s i o n t y p ec u t o f fw a l l s t h i sp a p e rw i l lc o n s u m e d l yi n c r e a s et h el e v e lo fl e v e ed e s i g na n dl e v e em a n a g e m e n t i ti sa l s ot oh e l pc o n t r o lf l o o d k e yw o r d s ：l e v e e ；f a i l u r eb yp i p i n g ；n u m e r i c a l l yc o m p u t e ；m u l t i c o e f f i c i e n t r e g r e s s i o nc u r v em e t h o d ；s e e p a g ec o n t r o lm e a s u r e 插图清单 图2 1 土堤坝岸的破坏形式9 图2 2 堤基渗流管涌险情l l 图2 3 堤防管涌发生临界坡降示意1 3 图2 4 安庆市长江堤基地质剖面1 3 图2 5 土层分布与渗透力或水头分布关系1 4 图3 1 丁马江堤各段测压管9 4 “9 9 年位势变化2 l 图3 2 洪峰前后特定江水位下各测压管水位逐年变化趋势2 2 图3 。31 9 9 4 、1 9 9 9 年洪峰前后特定江水位下测压管水位变化情况2 5 图3 4 安庆丁马江堤测压管多因子回归线与实测线管涌发生临界坡2 8 图4 i 减压井结构图3 l 图4 2 安庆市丁马江堤5 + 0 0 0 1 3 * 0 0 0 地质纵剖面图3 4 图4 3 安庆市丁马江堤汪家墩断面土层及流场分布3 4 图4 4 丁马江堤减压井流量历年过程线3 7 图4 5 室内注水试验装置4 0 图4 6 汪家墩试验井降落漏斗剖面原观资料过程线分析4 0 图4 7 现场抽注水洗井试验平面原观资料特征水位分析4 1 图5 1 压盏设计相关要素分析示意多元回归统计模型4 6 图5 2 堤内压盖宽度示意图典型堤防管涌安全评价5 l 图5 3 特定地基下正确和错误的压盖长度本章小结5 1 图5 4 美国堤内压盖设计示意图5 2 图5 5 我国堤内压盖设计示意图5 5 图5 6 压盖宽度计算l l ea 5 5 图6 1 背水堤脚减压沟 图6 2 堤内褥垫减压沟 图6 3 浅滤沟 图6 4 坡脚排水沟 图6 5 压土平台 图6 6 悬挂式防渗墙位置 图6 7 覆盖土层下强透水堤基渗流计算 图6 8 减压沟计算示意 图6 9 两边有水源补给减压沟计算示意 图6 i o 减压井列计算示意 图6 儿堤内压土平台计算示意 图6 1 2 堤内压士台宽度与其透水性关系 图6 1 3 有防渗墙堤防渗流计算示意 图6 1 4 堤防概化模型及边界条件 图6 1 5 汪家墩反演分析图 图6 1 6 汪家墩减压井计算分析图 图6 1 7 汪家墩压盖分析图 也 霉j 鹋 髑 螂 悦 瞄 螂 螂 髑 邢 怩 仍 仍 忸 忸 莓j | | | 一一一一一一一一 一 | | 表格清单 表2 1 管涌险情发展过程及现象l l 表3 1 管涌险情范围统计表1 8 表3 2 测压管观测资料多因子回归分析成果表2 6 表3 3 安庆江堤丁马段各特征年堤后覆盖层出渗坡降2 9 表4 1 安庆丁马段江堤各堤段砂层承压水历年最高位势分析3 5 表4 2 安庆丁马江堤历年洪峰水位减压井出流量分析3 7 表4 3 抽洗井模拟试验结果4 0 表4 4 汪家墩减压井试验结果4 3 表4 5 丁家村减压井试验结果4 3 表5 i 荷兰土体特性4 9 表5 2c v 取值5 0 表5 3 长江鹦武段各国压盖方法计算表5 9 表5 4 丁家村和汪家墩断面压盖土厚度和宽度- - - 6 0 表6 1 汪家墩9 + 5 0 0 设计水位下稳定渗流计算结果8 2 表6 2 各堤段压盖土厚度、范围及控制点高程表8 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导_ 1 、进行的研究下作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加咀标注和致诩 的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒地些盍堂 或其他 教育机构的学位或证如而使用过的捌料。与我一同一i ：作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：l 、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥胆王些友堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留井向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允所：论文 被查阅和借阅。本人授权金胆王些盔堂可以将学位论文的全部或部分r a 容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扛f 描等复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密屙适用本授权书) 学位论文作者签名：l 、 签字日期：伽f 年月，c 阳 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：安庆市水利局 通讯地址：安徽省安庆市沿江中路9 号 翩躲彩姆 签字曰期：别年，月蹦日 电话0 j5 6 5 5 4 3 1 8 0 邮编：2 4 6 0 0 3 致谢 本文是在导师王建国教授的精心指导下完成的。王教授严谨、缜密、一丝 不苟的学风和渊博的学识，诲人不倦的师德使我在儿年学习和生活中深为受益， 在此表示深深的感谢。 王教授为本研究选定了方向，在论文编写过程中，不断精心提出修改和指 导意见。他以广博的知识，严谨学风，富有刨新的思想方式，始终把握蓿研究 的进程。在这几年的学习中，除了论文的写作外，我还得到了王教授在学业上 不断的鼓励和工作上的大力支持，在论文完成之际，谨向王教授致以诚挚的感 谢和崇高的敬意，王教授的敬业精神和治学态度，将使我终身受益。 衷心地感谢南京水利科学研究院水工所段祥宝教授高工及其研究室的同 事，在论文的编写过程中得到段教授无私的指导，论文应用了段教授编制的堤 坝渗流有限元分析计算程序( u n n s 2 ) ，e 是有了这一计算工具论文才得以顺利 完成，另外段教授对本论文进行了认真的审阅并提出了许多好的修改意见。 在论文即将答辩之际，我还要向合肥工业大学、合肥工业大学土木工程学 院、研究生部的所有领导和老师表示诚挚的谢意，您们以一切为了学生的工作 宗旨，在工作教学中扎实努力，给予了我们许多指导和帮助，使我们学有所成。 最后恳切希望校、院、系的各位领导和老师经常到安庆市考察指导工作，我愿 把几年所学报效安庆的水利建设和管理事业，决不辜负老师的期望。 另外在论文编写过程中参考了许多国内外专家的论文论著，在参考文献中 已列出，在这一并对他们表示感谢，还要特别感谢安庆市郊区长江河道管理局 为本论文提供了多年来大量的实测数据，感谢我的领导和同事及我的家人给予 的关心和帮助。 作者水平有限，文中缺点与不足之处在所难免，恳请批评指正。 作者：周应虎 2 0 0 6 年5 月 1 1 选题背景及研究意义 第一章综述 1 1 1 问题的背景 ( 1 ) 洪水灾害与堤防建设重要性 洪水灾害在国内外都是居各种自然灾害之首，是自然灾害中的最大灾星； 而且这种洪灾发生的频率和严重程度有不断加大的趋势。因此联合国开展“国 际减灾十年”活动。我国自古以来就是水患大国，江河防洪关系到人民安危和 国家盛衰的大事，历代有“治水治天下”之称。按照国内七大江河考虑，约有 1 2 的人口和7 0 的资产是集中在洪泛区内，一旦洪水破堤泛滥，损失必然严重。 例如1 9 9 1 年的江淮洪水就给江苏安徽两省带来直接经济损失4 8 4 亿元，已接近 长江三峡工程的原预算投资总额，间接损失更是无法计算。1 9 9 8 年长江、嫩江 全流域洪水更是损失较大。各大江河及滨海地区历年经受较大的洪潮灾情及防 洪现状参见调研报告n ，。 建国以来，大力兴修水库、开辟滞洪区、水闸及堤防，已在逐步形成防洪 体系，然而最真接，最基本的防洪( 湖) 措施，就是堤防，洪潮灾害也是来自 堤防决口。因此加强堤防建设刻不容缓。 ( 2 ) 堤防渗透破坏及其控制措施的重要性 1 9 9 8 年抗洪抢险实践使“管涌”词成为众所周知，管涌是江河大堤汛期 常见险情之一。大洪水期间，仅长江中下游干堤出险6 1 0 0 多处，高水位时每天 出险达3 0 0 余处，其中管涌高居首位，占5 4 5 。历史上9 0 堤防溃口由管涌 引起。 1 1 2 问题的提出 1 9 9 8 年抗洪实践和灾后重建的加固治理实践揭示管涌险情是常见的、较难 解决的问题，虽然上世纪6 0 年代以来南京水利科学研究院、中国水科院等科研 单位一直在开展管涌破坏机理研究( 见毛昶熙渗流计算分析与控制，1 9 9 0 ， 刘杰土的渗透稳定与渗流控制，1 9 9 2 ) ，得出了如管涌判别公式、管涌规律 等一系列重要成果，但鉴于问题的复杂性，迄今没有得到很好的解决。如1 9 9 8 年大水险情抢护及其后的加固实践暴露出针对堤防复杂多变、隐患面大量广的 特点在堤防管涌破坏方面科研力度依然不足。 ( 1 ) 堤防管涌破坏机理十分复杂：特别在管涌探查、管涌发生具体时间、 管涌口确切位置、规模大小、发展破坏机理及其危害范围、管涌抢护范围和台 理有效措施等关键技术和理论方面均是堤防防洪减灾急待解决的问题，需进一 步深入研究、并期望有所突破，如汛期抢险范围达堤后7 0 0 1 5 0 0 m 的必要性、 管涌发生后是否继续发展，什么条件下能导致大堤溃决，即管涌机理和危害范 围多大等需要深入研究； ( 2 ) 管涌防治技术需要进一步提高：经过长期探索和实践，提出的“前堵 后排、保护出口，园地制宣、导压兼旌”原则和控制措施，即截渗、压渗和排 渗。各种措施均存在不完善之处，如压盖方案对压盖材料、压盖宽度、压盖厚 度和合理布局均缺乏完美的设计理论依据，更缺乏完善的计算方法，按现行规 范计算值偏大，投资较大：垂直防渗深度和效果及经济性存在争议，且国外采 用垂直防渗措施较少，多以压盖或放缓堤坡为主，国内广泛应用的垂直防渗墙 的效果对环境影响如何需要多方面的综合评价；如何减少减压井的淤堵性、保 持长期有效以及堤防防渗措施的安全程度如何等问题均有争论，有待着手解决。 尤其是压盖布局、垂直防渗的应用条件和效果及其对环境的影响、防治减压井 淤堵技术等一系列有效合理的管涌防治措施开发方面需加大研究力度。 ( 3 ) 堤防安全隐患面大量广，我国现有各类堤防2 5 万k m ，其中重要堤防 为6 5 7 万k m ，管涌成因较多，通过深入研究大堤的管涌发生发展及其破坏规 律和防治技术，对于提高防汛抢险决策、加固整治和运行管理的科学技术水平， 减轻渗流破坏损失，节约大量人力和财力，都具有重要意义和重大的社会和经 济效益。 1 。2 国内外研究现状 1 2 1 管涌分析模型国内外研究现状 渗流带动土颗粒或粒团沿孔隙移动的现象统称为渗流管涌。其作用力强， 危害性大，不确定性也很大。该问题一直受到国内外重视，几十年来不少学者 对此现象做过研究。目前关于管涌分析模型研究很多，历史也悠久，但是管涌 破坏发生的理论研究仍然不很成熟，主要原因在于发生管涌的机理在理论上还 没有突破，同时试验量测也很难测准。目前经常应用的“管涌i 倚界水力梯度值” 表明土体中的细粒开始流失，建筑物及基础某处出现薄弱面，渗透变形开始产 生。国内外关于管涌的研究大都是从研究渗透变形破坏的角度出发，同时渗透 变形的研究则主要集中在如何判别管涌发生的临界坡降值上，对管涌发生后的 发展过程及其破坏还缺乏详细研究。 早在上世纪初就开始对管涌进行研究，在砂型基础上的堰和堤设计过程中 c 1i b b o r n 和b e r e s f o r d ( 1 9 0 2 ) 研究了建筑物上水头h 与渗径l 有关，b u c k l e y ( 1 9 0 5 ) 认为管涌破坏仅与渗流路径长度相关，提出了水力坡降方法。布莱 ( b 1 i g h ，1 9 1 0 ) 据此定义了渗径这一概念，提出了不同地基士的抗管涌破坏的 临界水力坡降经验公式，g r i f f i t h ( 1 9 1 3 ) 提出了最短渗径长度概念。h a r z a ( 1 9 3 5 ) 提出了研究管涌的电模拟法，l a n e ( 1 9 3 5 ) 研究了各向异性渗透规律， 提出t j j n 权渗径法来发展b u c k l e y 和b l i g h 的计算模型，分析了2 0 0 多个建筑 物。c h u g a e v ( 1 9 5 8 ) 则总结了1 7 0 个建筑物，提出了透水地基上混凝土坝的临 界水头经验值。这个阶段的研究是以控制整个建筑物的总水头来衡量的，实际 上就是平均渗流坡降的概念，并不能真正预报由于集中渗流对建筑物的破坏性， 基于这个观念的设计方法也会因经验造成一定错误。 土力学泰斗t e r z a g h i ( 1 9 2 2 ) 基于土体垂直力平衡原理提出了太沙基临界 水力坡降公式，研究了堤脚的管涌破坏。k h o s l a ( 1 9 3 6 ) 给出了简化流场下各 种边界边界条件下的临界水力坡降公式，c e s a g r a n d e ( 1 9 3 7 ) 研究了与渗流关 联的内部破坏引起的岸坡失稳，给出了根据流场计算临界水力坡降的公式。而 p e c k ( 1 9 6 7 ) 则讨论了堤脚由突起引起的渗透破坏的计算公式。直到2 0 世纪5 0 7 0 年代，国内外进行了大量室内试验，根据试验成果得出了较多判别渗透变形 发生的计算公式。如伊斯托明娜( 1 9 5 6 ) 根据土颗粒在水中的平衡原理导出的 临界水力坡降公式，d a v i d e n k o f f ( 1 9 7 0 ) 临界水头公式，k h i l a re ta l ( 1 9 8 5 ) 粘性土的毛细数学模型和临界水力坡降公式，s h e r a r dj l ( 1 9 7 6 ) 根据针孔试 验的最大水力坡降公式，s e l i m e i j e r ( 1 9 9 1 ) 对堤坝下游进行分析认为管涌出 现后形成管道后达到平衡后就不再继续发展，给出了管涌口和管道内的临界水 力坡降公式，c a l l e 和w e i j e r s 及s e l l m e i j e r ( 1 9 9 3 ) 修改了s e l i m e i j e t 计算 公式，得出砂层厚度d 越小，需要的渗径长度l 也越小，而d 大于4 0 以上时l 就变化很小，k o e n d e r s ( 1 9 9 2 ) 从工程实践和室内试验上发展了s e l l m e i j e r 模 型得到的当管涌长度达到坝基宽度一半出现临界水头的结论而给出的临界水力 坡降。o j h a ( 2 0 0 3 ) 对s e l l m e i j e r 公式研究发现了c 值的取值范围局限性。 国内学者从上世纪5 0 年代始在这一方面也开展了渗透变形试验，取得了很 多卓有成效的成果，6 0 - - 8 0 年代南京水利科学研究院的毛昶熙、沙金煊、吴良 骥、陶同康等和中国水利科学研究院的刘杰等根据数百组不同土样的渗透变形 试验成果和根据土颗粒的自重、浮力、渗透力相平衡的原理分别给出了管涌、 流土等渗透变形的判别方法和临界水力坡降计算公式。尤其刘杰公式和沙金煊 公式成为国标( g b 5 0 2 8 7 - - 9 9 ) 等多个规范推荐的计算公式。毛昶熙等还总结了 水闸不同地基渗透性相应的允许渗流坡降，刘杰针对不同土质的不均匀系数给 出了相应的允许坡降范围。这些对我国渗透变形理论和实践起到了很好的推动 作用。相关计算公式和判别方法列入手册中推广，对工程实践起到很好的指导 作用。这些大多针对无粘性的渗透变形发生判别的，而针对粘性土，毛昶熙 给出了考虑粘性土c 和摩擦角的临界坡降公式，般的有效方法则是进行试验 判别。 上述临界水力坡降的得出是土粒在水中的平衡理论，其局限性很明显，自 然界中土层变化复杂，渗透破坏形式多样，因此计算临界水力坡降很难用一个 函数式精确表达。 因此p e t e r ( 1 9 7 4 ) 根据多瑙河大堤2 0 0 0 个渗透通道数据，首次提出了管 涌的随机性，得出了管涌发生频率与距离堤脚的距离成指数递减的结论：国内 曹敦倡( 1 9 8 5 ) 通过模拟渗流管涌端点的运动，建立了管涌随机模型，计算管 涌破坏的概率并估计士的渗流稳定性，认为管涌的发生并非一定要渗流破坏， 管涌破坏的发生与相对渗径和绝对渗径均有关，1 9 9 7 年提出水工建筑物的渗流 管涌的m o n t e - - c a r l o 模型，分析了渗流管涌发生和扩展的机理，给出了管涌的 数学模型。 在荷兰，研究管涌认为颗粒发生滚后，随着细颗粒从粗粒孑l 隙间流走， 由于渗径的不断缩短，流土进一步发展逐渐形成渗流通道。判别管涌发生的经 典方法为上世纪2 0 年的布莱( b i i g n ) 和莱因( 】a n e ) 法，随着荷兰堤防建设 力度的加大，研究管涌工作也相继开展，1 9 8 8 年s e l l m e i j e r 建立了相应的描述 管涌现象的微分方程式数值模型，为判别堤防管涌提供了新方法，即s e l l m e i j e r 准则。荷兰学者认为，水力条件对管涌的发生起直接影响，渗流线、地基的形 状和可能变形的砂层。将管涌发生、发展过程分为渗水顶穿土层、开始形成管 涌、回流侵蚀形成管涌通道和管涌通道连通等四个阶段。 而美国在以陆军工程兵团等单位为主进行了堤防稳定分析，从l a n e 理论出 发得出了控制堤后渗流安全距离。荷兰则是得出安全距离为整体水力坡降的一 定比值。 陈建生( 2 0 0 0 ) 等对堤防渗流管涌的机理进行了深入的探讨，运用地下水 动力学井流理论模拟了管涌口的地下水流场，定性论述了管涌发生后将会产生 渗漏通道及其原因。刘建刚( 2 0 0 1 ，2 0 0 2 ) 针对二元结构地基，用数值模型计 算方法分析了渗漏涌砂的理论模型，给出了涌砂影响范围的估算公式。 毛昶熙、段祥宝等( 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ，2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) 结合北江大堤管涌试验上 百组成果得出了管涌发生后的涌砂量计算公式、沿程水头变化计算公式、坡降 计算公式，得出了发展性管涌破坏的临界破坏坡降，并得出了不同洪峰变化下 的相应判别发展性管涌的计算公式，并进行了有限元数值模拟验证，从而给出 了管涌发展破坏的解析数学模型，据此可分析管涌的破坏过程。并指出管涌的 发生并不一定导致管涌的继续发展。 滕凯( 2 0 0 3 ) 将管涌口附近视为各向同性，推求了管涌形成后的流量、临 界面和破坏面孔口尺寸计算公式。沙金煊( 2 0 0 3 ) 推导了堤脚发生管涌的计算 式，据此可预测堤防发生管涌的范围。 张我华等( 2 0 0 4 ) 提出了一种预测判定管涌发生可能性的人工神经网络模 型。 而国内学者毛昶熙、刘杰、沙金煊、吴良骥等自上世纪6 0 年代以来也开展 4 了管涌筒的渗透变形试验，通过试验分析得出了无粘性土和粘性土的判别管涌 发生的方法和判别公式，也得出了国外学者的渗流破坏结论，更得出了渗透破 坏总是首先发生在渗流薄弱出口而不是内部的结论，为工程渗流控制指明了方 向，为反滤层设计理论提供了有力支撑。 毛昶熙、段祥宝等( 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ，2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) 应用长玻璃水槽( 长8 0 0 c m 宽3 0 c m 高1 5 0 c m ) 和宽槽( 3 0 0 c m 3 0 0 c m x3 0 c m ) 开展了几何比尺1 ：2 0 及l ：4 0 北江大堤典型险工堤段和长江大堤砂土样的堤基渗流引起的管涌试验 上百组，模拟了不同砂样、不同砂层厚度、砂层顶面接触糙度以及成层地基、 不同江水位、洪峰过程变化、堤前冲深、管涌口的大小、出口水头损失、管涌 距堤脚的距离、有无防渗墙以及防渗墙的位置和深度等不同条件下管涌发生发 展变化过程，管涌有害与否与沿程承压水头分布的不断调整和渗流量变化密切 相关，得出了管涌发生后的涌砂量计算公式、沿程水头变化计算公式、坡降计 算公式，得出了发展性管涌破坏的临界破坏坡降，论证了双层地基粉细砂层发 生管涌通道时影响大堤安全的水平渗流临界坡降平均值为0 1 左右，并得出了 非稳定洪峰变化下的相应判别发展性管涌的计算公式，也证实了悬挂式防渗墙 对渗流破坏发生影响较小，但是对管涌险情的扩展可以起到很好的控制作用， 并给出了相应防渗效果计算公式，试验中采用了示踪剂和测压设备跟踪管涌发 展过程。 从国内外管涌室内模拟方法来看，试验本身具有原理简明、现象直观，容 易把握规律，但大多限于管涌发生的判别上，而且很多是针对无粘性土的。而 针对管涌发展的机理研究是近几年刚刚开始的工作，试验方法和结果均有待深 入探讨，管涌发展是否引起破坏的规律和机理还需有待更多的土样试验，而且 还必须研究推广到大范围各种地基的堤防的分析中。 毛昶熙，段祥宝等( 2 0 0 3 ) 应用三维稳定渗流有限单元法对双层地基堤防 渗流场进行了数值模拟，通过改变管涌通道渗透性来模拟渗透变形扩展过程， 验证了水槽管涌试验得出的堤基渗流管涌发展的计算公式。 毛昶熙，段祥宝等( 2 0 0 4 ) 根据一般双层地基上堤防非稳定渗流有限元计 算成果，分析出单宽渗流量、堤背脚下承压水头和堤身浸润线高度等渗流关键 值在洪峰过程中的峰值经验设计公式，可简便地计算堤坡稳定性和判定堤内是 否发生管涌破坏以及是否需要设防渗墙等渗控措施。 1 2 2 管涌研究趋势 目前已有的关于管涌发生的临界水力坡降的理论模型：铅直流土的太沙基 模型o = y y ，伊斯托明娜判别模型，斜坡流土的谢斯塔可夫模型、渗流冲 刷的曹敦侣模型、刘杰公式和沙金煊公式，s e l l m e i j e r 准则等，都是结合试验 来考虑水土性质导出的，可以从机理上反映管涌形成的原因，但是由于管涌发 生和发展的因素多样性，模型公式参数难以全面系统包含所有影响因素。同样 随机模型也仅是宏观描述管涌发生相关的某些因素和过程，也不能全面解译发 生机理。数值模型方法目前大多为渗流有限元法，没有考虑土体和渗流的耦合 作用。而室内模拟方法则受到模型比尺、相似率、边界条件和土质条件等的制 约，与实际堤防管涌发生发展的相似程度不一定致。而现场试验则仅限于现 场渗流的监测和钻孔探查，根据监测资料来分析渗透变形的可能和发展的趋势， 但规模大，费时长。 综合国内外研究现状，对管涌问题的研究多偏重于对土的抗渗性能和渗透 变形方面，对管涌的发生条件与发展已经有半定量和定性的研究成果，但在管 涌发展过程的渗流场空间性态方面所做的工作较少，主要由于当前对管涌发展 机理的认识还不够深入和工程自身结构条件及水力条件的复杂性导致渗流场的 分析较为困难。 同时还有一些忽视的方面：管涌形成前期阶段的化学管涌过程；管涌形成 过程中的渗透性能的变化，尤其其中水体和士体的相互作用；对管涌发生、发 展到破坏的发展过程阶段没有足够划分清晰；针对各个阶段的管涌发展过程模 拟不够详细，尤其是过程中渗透系数、渗透压力、渗透流速、颗粒运动等与土 层几何条件、物理力学指标、水力条件等相互关系。 1 2 3 研究问题的必要性 ( 1 ) 1 9 9 1 、1 9 9 5 、1 9 9 8 年江淮洪水损失巨大，鉴于洪灾发生频率和严重程度 的不断加大及堤防的现状，本论文进行典型堤防工程问题研究。拟通过堤防调 研，总结分析存在问题，结合实际进行针对性研究，提出有助于解决问题的成 果，提高堤防工程的设计管理水平，达到防洪减灾的目的。 ( 2 ) 安庆市约有4 5 的人口和8 0 的资产是集中在堤防保护区内，洪灾损 失严重。建国以来，已逐步形成防洪体系，虽然长江干堤近年经过了加固，但 其他堤防防洪标准仍不到2 0 年一遇，汛期管涌、滑坡、溃口破坏严重，这与发 展安庆经济和建设和谐社会甚不相称。 ( 3 ) 安庆堤防地质情况复杂，堤后采用防渗措施较多，如压盖、减压井等， 由于设计、施工、管理等多方面的原因效果不佳，迫切需要从理论上和技术上 找出加固治理优化措施。因此以丁马江堤为典型堤段，从理论上以非稳定渗流 理论分析堤防渗流现状，以实测资料的多因子统计模型和渗流数学模型反演减 压井淤堵原因，寻找恢复减压井效果的方法，并研究各种渗流加固措施的效果， 提出加固措施和压盖土方案的计算公式，为全国堤防设计、施工、管理提供普 遍性的科学依据。 ( 4 ) 国内外关于管涌机理和防治研究还没有完全明确，还处于试验和探究 阶段，针对大堤堤后管涌发生、发展和破坏与土层几何条件和水力条件的关系 都需要进一步研究，荷兰、美国以及国内南科院、北科院都在积极研究，但是 针对实际工程的管涌破坏发生发展还没有报导，因此本论文拟结合安庆丁马江 堤开展此类研究，并探索恢复减压井这一价廉物美措旆的效果的有效方法一双 向洗井方法。 1 3 本文主要研究内容及研究方法 1 3 1 主要研究内容 本文从实测资料分析和汛期险情资料八手，针对堤防渗透变形破坏和有效 防治这两个与工程实践密切相关的关键科学问题，开展了较为深入的研究，主 要研究内容如下： ( i ) 基于分析汛期( 特别是1 9 9 8 年大洪水) 典型堤防渗流破坏实例，进 行理论分析计算和模型试验，研究堤防管涌发生机理和发展规律，得出判别堤 防管涌发生和发展的临界渗透破坏坡降，旨在揭示管涌发生发展破坏与堤后距 离、土层分布和渗透性、水头差等几何条件和水力条件的关系，通过得出管涌 发展破坏的实例模型，给出发展性管涌破坏的判别准则和管涌抢险合理范围， 研究堤防破坏的主要成分； ( 2 ) 结合1 9 9 8 年大堤管涌破坏实例进行反馈分析，分析各种防渗措施对管 涌破坏的防治作用，提出有助于解决实际问题的成果： ( 3 ) 针对典型堤防十多年的原型观测资料，进行统计模型分析，研究堤防 渗流安全现状和减压井的淤堵成因和井效恢复问题，揭示减压井淤堵机理，尝 试井效恢复新方法，并通过室内外试验，推广该法； ( 4 ) 针对长江堤防吹填压盖特点运用了压盖计算方法，得出堤内压盖土优 化方案( 压土宽度、厚度及其合理布局) ，并针对典型堤段加固压盖方案应用非 稳定渗流数值模型进行模拟验证，提出因地制宜的大堤渗流控制优化方案。 1 ，3 2 主要研究方法 ( 1 ) 文献阅读。通过大量阅读国内外有关堤防工程渗流特性、管涌破坏和 防治技术等方面的文献，掌握本文主要研究内容现有的研究水平，为开展本文 的研究工作打好基础和把握方向。 ( 2 ) 理论分析。理论分析是本文重要的研究方法，本文主要应用现有渗流 数学模型、渗流特性规律、有限元理论等对本文的研究内容开展研究工作。 ( 3 ) 现场实测。现场实测既可以提供理论分析及数值模拟所需要的数据， 又可以对相应的研究成果进行验证，在实测理论和技术有效的前提下，现场实 测是最可靠的研究方法，本文在对典型堤防渗流破坏机理探讨、减压井淤堵成 因和井效恢复技术、防渗加固方案效果主要依据的就是现场实测数据。 ( 4 ) 数值模拟。数值模拟无疑是本文最有力也是应用最广泛的研究方法， 应用有限元数值模拟的方法，本文解决了堤防减压井井效问题、堤防防渗加固 方案的安全性等堤防渗流中许多重大而又复杂问题，和理论分析和现场实测相 比，数值模拟经常显示着无比的优越性和不可替代的作用。 7 1 4 本章小结 ( 1 ) 从堤防防汛实际情况、渗流控制理论基础及应用现状等出发，提出了 现今堤防渗流控制关键技术中存在的技术难题。 ( 2 ) 从堤防汛期破坏险情分析、防汛抢险技术和管涌破坏判别3 个角度总 结了现今国内外堤防渗透破坏研究进展。 ( 3 ) 分别从减压井、压盖、垂直防渗等几个方面出发，全面总结了现今国 内外渗流控制技术研究和应用进展。 ( 4 ) 在总结国内外已有研究成果的基础上，提出了本文主要研究内容及相 应的研究方法。 2 t 概述 第二章堤防管涌破坏机理 2 1 1 土堤的破坏形式 土堤坝岸经常发生的破坏形式，除漫顶溢者外，从剖面上看可灯纳为图2 1 的1 2 种破坏形式【3 ，1 5 】。 ( b ( c ( d ( e ( g ) 图2 1 土堤坝岸的破坏形式 图2 1 ( a ) 是双层地基中砂基承压水顶穿表层弱透水粘性土覆盖层的薄弱 环节，发生局部集中渗流形成流土泉涌的地面管涌现象，若险情发展将继而由 管涌出口沿堤底砂基面向上游冲蚀发展戤连通的管道，此时如果管道扩大失去 拱的作用，堤坝即裂缝下沉而破坏：严重者还会在临水侧堤脚附近引起水流漩 繁参 涡。 图2 1 ( b ) 是背水坡脚大面积发生小泉涌砂( 土) 沸现象，使坡脚软化或 受浮力后失去支承力而引起大滑坡，如图中的大圆弧所示。渗流来水可能是砂 基的承压水，也可能是沿覆盖土层上面较透水薄层粉土渗过来的表层水，还可 能是由于堤坝本身渗透造成的堤脚软化而在浸润线出渗点以下形成局部小滑 坡，如图中的虚线小圆弧所示。 图2 1 ( c ) 是由于堤坝本身或地基的渗流，在背水坡面出渗处发生管涌带 走细土粒堆积于坡脚，逐渐在坡面形成局部凹陷小沟，直至坡面冲蚀破坏。 图2 1 ( d ) 是由于洪水位下降时饱和堤身的孔隙水压力来不及排出而在临 水坡发生滑坡，滑弧下边缘多出现在下降水位的附近。若堤前受河水淘刷，就 更易造成大滑坡。 图2 1 ( e ) 是降雨入渗造成的滑坡，多发生在阴雨连绵很久时，堤身全部 处于饱和状态，由于孔隙水压力增大，土体抗剪强度降低而滑坍。 图2 1 ( f ) 是雨水对堤坡面的冲刷，由于排水不好，在暴雨时造成雨淋沟 剥蚀坡面。 图2 1 ( g ) 是波浪( 风浪和船行波) 袭击坡面，如果没有护坡面层等或块 石面层下没有垫层时，土坡细粒就会被波浪冲击及其诱发渗流淘刷而流失，使 坡面局部坍陷。 图2 1 ( h ) 是堤体内有薄层粉细砂，会形成流沙通道，若埋设涵管漏水或 管土接触不紧密，也会形成渗流通道，危机堤体稳定。 图2 1 ( i ) 是堤体内有软弱夹层或堤底有淤泥层，降低了堤体抗滑稳定性， 会发生小圆弧加大圆弧或直线的复合滑动面或折线滑动面的滑坡。 图2 1 ( j ) 是堤坝肩堆积静荷载，将助长堤坡滑动或造成堤肩的局部滑坍 破坏。 图2 1 ( k ) 是堤坝肩的活荷载振动将使坡顶局部破坏，同样在地震的作用 下，也将造成顺堤坝方向的裂缝及大滑坡。 国2 1 ( f ) 是坡脚下挖危及边坡的稳定性。 以上描绘堤坝岸坡的破坏形式，( a 卜( d ) 是明显的渗流破坏，( e ) 币) 也是与渗 流孔隙水压力密切相关的，说明渗流对边坡土体破坏的重要性。据1 9 9 8 年长江 洪水险情调研中有8 5 以上是渗流险情，其中有6 2 4 是管涌险情，而且遭致 溃口决堤的几处堤防都是源于管涌险情1 5 1 0 总括以上土堤岸坡的1 2 种破坏形式，大致可将渗流破坏性分为： ( 1 ) 个别部位的集中渗流冲刷。即由于大的渗压或出渗坡降使地基或坡面 发生管涌或流土的冲蚀或渗透变形：继而沿着渗流阻力小的薄弱环节向上游发 展，例如夹砂层或不同土层的接触面等会被渗流冲蚀形成管涌通道，甚至堤破 溃决。 1 0 ( 2 ) 整个渗流范围内的滑坡。即由于普遍存在的孔隙水压力或渗透力所造 成的大体积土体滑动；多发生在浸润线高、孔隙水压力消散慢的较陡粘性土坡。 管涌与滑坡是代表土体渗流破坏的两种基本类型，也只有满足这两种渗流 稳定性( 局部与整体) ，才称得上渗流安全 3 1 。 2 1 2 管涌险情发展 堤坝下游地面被承压地下水顶穿冒水涌砂的现象，被称为管涌( p i p i n g ) ， 如图2 2 所示，出口涌沙后渗流向上游冲蚀发展沿堤底形成集中渗流通道，抵 达上游时还会在河水面发生旋涡，并将即时发生堤身下沉或裂缝而溃堤。长江 1 9 9 8 年洪水溃堤就是由于管涌所致。但是还有更多管涌险情持续很长时间也不 会继续向上游发展危及堤坝本身安全的。根据南京水科院砂模型试验”“推估到 天然原型与实际调查资料“”，评估管涌险情的危害程度，发展过程及水砂涌出 现象，见表2 1 ，可供参考。 表2 1 管涌险情发展过程及现象 管涌发展试验推估持续时间土坝调查持续时间 管涌现象 慢性无害1 月到半年几星期到几月，甚至几年清水翻砂 发展中等 几天到1 个月几天到几星期浑水细砂漫溢 较快发展几小时到几天半天到几天浑水涌砂量渐增 急速发展1 小时到几小时3 小时以内浑水涌砂量突增 图2 2 堤基渗流管涌险情 本章将通过对典型堤防的管涌险情的统计分析，找出管涌发生的特点和规 律，从管涌发生发展的几何要素和水力要素的分析入手，探讨管涌发生、发展 和溃堤的机理。根据管涌的发生不一定导致堤防溃决的认识，探讨管涌发生发 展相应临界破坏坡降，为分析堤防管涌破坏安全性提供科学依据。 2 2 堤防管涌影响几何要素和水力要素分析 堤防管涌破坏发生的相关几何条件有地基地质情况、地形情况、土层分布 形态及特性、管涌距堤脚的距离、已有的渗流控制措施等。 堤防管涌破坏发生的相关水力条件有汛期洪水位及其变化过程、历次洪水 的叠加影响、水力坡降或流速等；不同几何条件和水力条件对管涌破坏的影响 程度均不同。 2 3 管涌发生临界坡降研究 2 3 1 管涌发生临界坡降研究 目前已有的关于管涌发生的临界水力坡降的理论模型：铅直流土的太沙基 模型j 。= y y ，伊斯托明娜判别模型，斜坡流士的谢斯塔可夫模型、渗流冲 刷的曹敦侣模型、刘杰公式和沙金煊公式，s e l l m e i j e r 准则等，都是结合试验 来考虑水土性质导出的，可以从机理上反映管涌形成的原因，但是由于管涌发 生和发展的因素多样性，模型公式参数难以全面系统包含所有影响因素。同样 随机模型也仅是宏观描述管涌发生相关的某些因素和过程，也不能全面解译发 生机理。 长江堤防等地基表面有一定厚度t b 的弱透水覆盏土层，其下为强透水砂 层厚度t ，是最普遍的典型二元结构双层地基剖面，如图2 _ 3 所示。堤背脚最短 渗径出渗点c 处或其下游x