长江中下游河道堤防顶穿河道砂体渗流致灾分析

长江中下游河道堤防顶穿河道砂体渗流致灾分析

1顶穿分层段加大冒砂段在长江两岸的河岸上修建了许多电旁通站、旁通站和渠道。由于沿河大部分为双土结构，通道底部和水泵站的底部通常位于强透水砂层的顶部，只留下土层较薄的薄透水覆盖。因此汛期江水上涨,内侧渠底承压水头较高,顶穿土层鼓水冒砂,持续扩大冒砂范围,就会形成地下管涌通道,导致大堤下沉溃决和建筑物裂缝倾斜。1996年汛期安庆对岸广丰圩杨墩排灌站出险,危及长江大堤长30m的下沉险情(堤坡下沉3.5m,堤顶下沉1.5～2.0m),就是这样一个典型实例。同年安庆市枞阳县陈洲电排站也出现了渠道鼓水冒砂顶穿滤层的险情,说明沿江堤泵站普遍存在渗流险情问题,这是一个三维渗流问题,因此研究江边泵站渠底顶穿冒砂问题对大堤安全具有实际意义。2渠道土工布滤层作为典型工程实例的枞阳江堤陈洲电排站位于长江大堤安徽省枞阳县永丰圩桂家坝段内(见图1)。始建于1958年,设计为10年一遇,排涝量为7.2m3/s,总扬程6.23m,设计最高江水位17.5m,相应内水位10m,进水渠底宽8m,底高程7.0m,边坡1∶2.5。渠两侧地面高程12.0m左右。地基表层土为粘性土,下为透水砂层,相对不透水层高程为-48m。该站在1983年前每年汛期江水位涨至12m时,引水渠多处冒砂,江水继续上涨冒砂更严重。1985年初在距前池100m处渠道上建简易节制闸一座以调节渠水位,设计水头差3m。当年汛期运行依然冒砂。1985年底做土工布滤层。至1995年汛期水位达15.35m渠道翻砂隆起出险(范围占保护面积30%)。汛后对隆起部分局部翻修。可1996年汛期仍发生大面积隆起冒砂险情。1996年冬重新对渠道长92m范围内的土工布滤层进行了全面翻修,翻修时见引水渠底淤积物厚约1m;距前池50m向后淤堵更为严重,土工布下面也有薄层淤泥;约57m处土工布鼓起高度为1.2m,范围呈椭圆形,长约10m,土工布底部有薄层细砂,细砂下为瓜子片。翻修时由于地下水位稍高于渠底,采用的土工布滤层结构层次复杂,从下往上为基砂、粗砂、新土工布、瓜子片、新土工布、瓜子片、块石,见图2,并在渠道两侧拟采用减压措施降低砂层承压水头。本文对此进行室内渗流试验和三维有限单元法计算分析。3层结构的土工布从滤层设计理论上看,该工程为施工方便,滤层结构中土工布下设瓜子片欠合理,土工布透水性一般总小于瓜子片的。本文进行室内试验,测定了土工布渗透性,分析滤层结构淤堵性。3.1基土工布渗透性分析取自渠道翻开后的老土工布上淤积很多,在室内进行几组抽样试验,分别代表含泥量少和含泥量多两种情形。经两组平行试验测定,含泥量较多时土工布整体渗透性为1.89×10-4cm/s,含泥量少的土工布渗透性为7.64×10-3cm/s。将土工布上淤泥冲洗干净后再测定其渗透性为5.15×10-2cm/s。据原滤层设计,该土工布有效孔径为0.08mm,渗透系数为10-2cm/s。由渗透性试验知滤层淤堵后,土工布整体滤层的透水性较差。而且由于翻修取样时土工布上淤积物可能会脱落,因此现场土工布上淤积物系统的透水性还要小。据1996年工程单位取渠底淤积物进行测定的结果,淤积物属重粉质壤土,k=10-5cm/s。3.2渠水泥沙水平基砂与粗砂“十三”的渗流试验采用现场提供的粗砂、瓜子片、基砂和1996年新铺设的土工布样品进行了三组整体滤层试验。模拟1996年前铺设滤层结构试验装置,见图3(a),基砂干容重1.4g/cm3。试验进行了11d,由下向上渗流水头逐渐加大,试验中见少量基砂细颗粒向上流进粗砂层,但粗砂层坡降无明显增大。土工布下砂层(粗砂基砂)在平均坡降6.98时土样砂粒向上翻动,不久破坏。试验结束未见土工布有淤堵现象。试验结束前,测得基砂k=8.6×10-3cm/s,粗砂k=3.6×10-1cm/s。将上述滤层结构倒置,进行从上往下渗流试验,装置见图3(b)。经14d渗流试验,基砂和粗砂的渗透系数无明显变化,基砂k=3×10-3cm/s,粗砂k=6.1×10-2cm/s。试验中未见基砂从上往下通过粗砂层和瓜子片而沉聚土工布上。由试验知土工布下基砂向上淤堵的可能性不大,淤堵基本来自土工布上面渠底的泥沙沉积。故进行渠水泥沙淤积影响下土工布滤层整体试验,测定破坏坡降,试验装置见图3(c)。淤积物取用土工布样品上所附泥土,因太少又取用一定的粘土。试验中每天定量均匀从上加入筒中使其慢慢渗入块石和瓜子片的孔隙而到达土工布上。经12d密实后,进行自下而上的渗流试验,开始测得淤泥+瓜子片7.3×10-3cm/s。当土工布上土层平均坡降J为0.82时,渗流量很小,土层k=10-5cm/s,此时基砂和粗砂层的坡降较小;而土工布上土层平均坡降加大到1.14时,土样开始破坏,边壁见砂粒跳动,5min后边壁穿孔,此时瓜子片与淤积物的坡降为2,流量增大,k≈10-3cm/s,基砂局部破坏,土工布隆起。室内试验表明,基砂透过粗砂向上堆积于土工布下的可能性较小,土工布上淤堵物主要来源于渠底淤积物的不断下沉填实石缝,在渠底形成相对不透水层,当基砂承压水头达一定程度就使渠底和边坡局部隆起破坏。翻修滤层时挖开土工布,其底面也附一薄层基砂,可能是铺设的粗砂层有缺陷或者侧边防范欠妥,有基砂乘隙而入所致。4计算分析的三维有限单元法4.11渠道内排水坡降该站进水渠东西两侧于1984年各埋4根测压管,1996年汛期观测数据见图4,可以看出,江水位至7月24日最高,21～24日持续在15.85m左右,江水位上升至7月19～21日渠底遭受顶穿破坏致使管水位下降,尤其在节制闸附近下游最靠渠道的西3测压管最为明显;在渠道局部破坏后,由于闸附近水流的局部冲淤变化,西3管7月26日后又发生水位上升现象。选择21日江水位15.82m进行渠道附近渗流位势反演计算。计算采用三维有限单元法程序,方法参见文献。边界范围(图1),大堤前选取400m长直至枯水期江边,以前池电排站泵房为零起算,东西两侧各取250m长范围,北至370m以远。由反演结果知,各测压管拟合误差除东40.09m外均在0.03m以下,前池附近由于冒水孔的作用,位势较低,但渗流坡降较大,尤其是泵房附近。渠道内淤积物淤堵土工布上瓜子片和块石,总体渗透性k=1.1×10-5cm/s,地基表层粉质粘土k=1.2×10-5cm/s,其下砂壤土k=9.7×10-4cm/s,再下细砂k=1×10-2cm/s,粗砂和中砂k=2×10-2cm/s。渠道淤积范围从距前池12.5m至闸后180m,淤积程度从前池向后12.5～25m内淤积厚度为0.6m,而至闸室附近淤积厚度为1m,闸后淤积厚度为0.5～0.6m,反演中不考虑节制闸的作用,渠道水位为9.5m。渠底两边和中点的水头分布如表1,渠道淤积范围内,渠底承压水头一般在11.48～11.79m,若考虑土工布滤层上石子、块石、1m淤泥处于极限平衡状态,即达1.5m承压水头,则安全系数仅为0.66～0.76,渠道边坡的出渗坡降达到1.13～1.29,以前池后75～100m为最大。而前池后25m范围内渠道受淤积的影响,渠底部砂层水平出口坡降为0.35～0.38,砂层内承压水头顶托渠边坡的渗透坡降为0.8。从反演可知,前池后25m至闸室附近淤积严重,渠底和边坡会发生隆起破坏;而且前池附近受汛期抽排影响,这些部位渠道底部砂层的水平出口坡降较大(0.35～0.38),出口保护不好,易受破坏。再则泵室附近由于位势过于集中,渗透坡降亦较大,一旦发生接触冲刷,底板易不均匀沉陷、冒砂等,甚至泵室砼结构出现裂隙和倾斜而出险。同样在闸室附近,由于承压位势过高,闸基亦易破坏导致鼓水冒砂。这些现象均与1996年该电排站险情一致。因此可用反演确定的土层参数做进一步预测分析的依据。4.2渠底泥沙及坡降问题以目前淤积程度推求设计洪水位17.5m时渠道的位势,此时渠水位10m,计算结果见图5实线所示,各测压管较1996汛期增加0.9～1.08m,渠道两侧位势增高,从渠底各点承压水头高程表1中可知,渠底淤积区砂层顶承压水头高达12.73m高程,以土工布上石块瓜子片和1m厚淤泥的极限平衡状态考虑,则安全系数仅为0.55,而前池25m内渠底水平出口坡降高达0.44,砂层承压水头顶托边坡出渗坡降最大为1.53。可知设计水位下,此淤堵现状将会使整个渠底顶穿破坏,而危及泵站和江堤的安全。因此必须采取措施。(2)基岩坡底、渠底砂层受拉压水泥沙沉积的水基性能考虑1996年底铺设土工布滤层结构不受淤堵,在设计江水位17.5m时,等水位线分布如图5虚线所示,渠底砂层水头均在10.2m高程以下。8根测压管水位比滤层淤堵时分别降低0.7～1.4m。边坡下砂层承压水头以前池附近较大为10.68～10.85m高程,顶托坡降为0.45,前池附近15m内渠底砂层的水平出口坡降为0.13。因此可知若能保证渠底滤层不被渠水泥沙沉积淤堵,渠底和渠边坡就不会遭受承压水顶托破坏。可是该保证相当困难,因此还应另觅途径采取降低渠底承压水治理方案。4.3两侧各井布置方案在渠两侧距渠中心18.5m处自前池至闸室前100m范围打减压井,井水位为10.5m,井半径0.15m,井底高程-22m,贯入度0.54,比较了几种不同井间距:间距为25m时,两侧各打5口井,在设计江水位17.5m时,前池渠两侧位势较高,而渠道底自前池后25m向后至闸室位势低于11.31m,从表1中可知,渠底中心点承压位势仍然较高;若间距为20m,两侧各布置6口井,计算结果表明,前池附近渠道底中心点承压位势仍然显较高;考虑间距为17m,两侧各布置7口井,计算结果见图6实线所示,满足设计要求,从计算中可知,前池附近井密些,效果更好。若考虑前池冒水孔未淤,则两侧各布置7口井后,前池及渠底水头均降低很多。此时可降低井贯入度为0.35,即井底高为-12m,两侧各布置8口井,间距13m,亦可以降低渠底承压水头。(2)渠坡表面砂层等位线变化在渠底两边侧各开1m宽暗沟一道,使排渗地下水与渠道浑水隔开,仅在前池一端留出口控制。沟深1.5m,沟底深入基砂层,沟从前池冒水孔至节制闸前10m。考虑渠道底全部淤积达1m厚,土工布滤层淤堵后整体渗透性为1.1×10-5cm/s。江水位为17.5m,渠水位为10.0m,沟内反滤料k=10-1cm/s。计算出平面等水位线如图6虚线所示,开沟后渠边砂层位势均低于11.5m,从前池向闸室,渠边侧位势逐渐增加,距渠底边4m处砂层承压水头分别从10.04m变化到11.60m,若考虑两层土工布上石块、瓜子片和1m淤泥的极限平衡状态能承受1.6m水头,则节制制闸前安全系数最小为1,渠底砂层水平出口坡降较小,前池附近最大为0.067。从图6可以看出,节制闸附近水头密集,开沟最好延伸至闸后一定距离。5减压和地下沟槽方案的近似计算方法在有限元法计算之前,针对工程安全渡汛之需,曾对井、沟两方案进行估算送设计部门参考,现简介如下:5.1渠内压井距离可引用文献基坑排水公式(5-118)估算,即式中S0为井内降深,相当于周边补给水源(可近似取测压管汛期实测水位12.5m)与减压井出口水位(可取渠内水位9.5m)之差,即12.5-9.5=3(m);Se为基坑底的渗流水头降深,若设渠底承压水头允许0.5m,则Se=(12.5-9.5-0.5)=2.5(m);L为水源补给边界(测压管)距减压井列(设在渠坡平台)的距离约40m;代入公式计算设井半径r0=0.15m时,可算得井间距a=17m;若取含水层有效深度T=15m时,单井出水量Q=16k。5.2渠底中心阶段,仅有3.可引用文献公式(5-58)估算,即式中S为沟深,设深入砂层0.5m;b0和b为沟底和沟面的半宽,当沟边坡1:1时,b0=0.5m,b=1.0m;设含水层厚T=15m;L=40m;代入公式可得ΔL=12.9m,此为渗流绕沟底增加的附加阻力长度。若按直线比例计算渗流总水头3m的沿程损失,则可得渠底中心(距暗沟4m)承压水头为h=0.5(m),可满足要求。以上估算结果与三维有限单元法计算基本相同,但三维计算考虑了土层分布及长江水位的水源补给,结果更为确切。引用公式估算亦可作为初设参考。6渠道暗沟排渗(1)江边电排站引水渠滤层上的淤堵主要是由于汛期排涝浑水入渠,泥沙淤积下沉封堵石