悬挂式防渗墙控制堤基渗透变形的机理与工程应用

前言

第一章 悬挂式防渗墙的选择背景及研究现状

1.1 我国堤防基本情况和存在的问题

1.2 堤基渗透破坏的成因、分类及堤基的渗流控制

1.2.1 堤基渗透破坏的成因和分类

1.2.2 堤基的渗流控制

1.3 长江中下游堤基工程地质条件

1.4 堤基防渗墙的类型及适用条件

1.5 悬挂式防渗墙的研究现状

参考文献

第二章 无防渗墙的二元结构堤基渗透变形试验研究

2.1 透水层为低液限粉土的渗透变形试验

2.1.1 试验用土

2.1.2 试验装置

2.1.3 试验步骤

2.1.4 试验结果及分析

2.2 透水层为细砂土的渗透变形试验

2.2.1 试验用土

2.2.2 试验装置

2.2.3 试验步骤

2.2.4 试验结果及分析

2.3 小结

参考文献

第三章 悬挂式防渗墙贯入度对控渗作用影响试验研究

3.1 透水层为低液限粉土的试验研究

3.1.1 试验用土和试验装置

3.1.2 试验步骤

3.1.3 试验结果

3.1.4 试验成果分析

3.1.5 透水层为低液限粉土的试验小结

3.2 透水层为细砂土的渗透变形试验研究

3.2.1 试验用土和试验装置

3.2.2 试验布置及步骤

3.2.3 试验结果

3.2.4 试验结果分析

3.2.5 透水层为细砂土渗透试验小结

3.3 两种不同土质透水层试验结果比较

参考文献

第四章 悬挂式防渗墙位置对渗透变形的影响研究

4.1 试验用土

4.2 试验装置

4.3 试验布置及试验步骤

4.4 试验结果及分析

4.4.1 试验结果

4.4.2 试验结果分析

4.5 小结

参考文献

第五章 渗流出水口位置对悬挂式防渗墙渗控影响的试验研究

5.1 试验用土

5.2 试验装置

5.3 试验布置及试验步骤

5.4 试验结果及分析

5.4.1 模拟渗透变形位置距离上游加水位置40cm的试验研究

5.4.2 模拟渗透变形位置距离上游加水位置60cm的试验研究

5.5 小结

参考文献

第六章 河床透水层暴露深度对悬挂式防渗墙渗控影响试验研究

6.1 试验用土

6.2 试验装置

6.3 试验布置及试验步骤

6.4 无悬挂式防渗墙试验结果及分析

6.4.1 试验结果

6.4.2 试验结果分析

6.5 设置悬挂式防渗墙的试验结果及分析

6.5.1 试验结果

6.5.2 试验结果分析

6.6 小结

参考文献

第七章 河床透水层暴露深度对悬挂式防渗墙渗控影响的数值模拟

7.1 概述

7.2 渗流的理论基础

7.2.1 达西渗透定律

7.2.2 渗流的基本方程

7.3 渗流二维有限元数值方法

7.3.1 有限元法分析渗流问题的步骤

7.3.2 二维渗流有限元模型建立和各参数选取

7.4 数值模拟试验研究

7.4.1 无防渗墙结果分析及渗流场变化特征

7.4.2 有防渗墙的结果分析及渗流场变化特征

7.5 小结

参考文献

第八章 不同类型的悬挂式防渗墙抗渗效果试验研究

8.1 试验用土

8.2 防渗墙材料

8.3 试验装置

8.4 试验布置及试验步骤

8.5 试验结果及分析

8.5.1 无防渗墙的试验结果

8.5.2 防渗墙深度D=10cm的试验结果

8.5.3 防渗墙深度D=20cm的试验结果

8.5.4 防渗墙深度D=35cm的试验结果

8.6 不同深度防渗墙的试验结果分析

8.6.1 测压管水位

8.6.2 渗流量

8.6.3 表观临界水力梯度与临界水头、极限水头

8.6.4 防渗墙前后表观水力梯度

8.6.5 防渗墙到渗透变形溢出口间水力梯度

8.7 不同防渗墙材料的试渗透验结果比较

8.8 小结

参考文献

第九章 堤后压重及其结合悬挂式防渗墙的防渗效果

9.1 堤后压重防渗效果试验设计

9.2 堤后压重作为单一防渗措施时的试验结果及分析

9.2.1 试验结果汇总

9.2.2 试验数据分析

9.3 堤后压重结合悬挂式防渗墙的试验结果及分析

9.3.1 试验结果汇总

9.3.2 堤后压渗盖重在组合防渗中的防渗效果

9.3.3 悬挂式防渗墙在组合防渗中的防渗效果

9.4 悬挂式防渗墙和堤后压渗盖重防渗效果的比较

9.4.1 试验结果比较分析

9.4.2 悬挂式防渗墙深度和堤后压渗盖重宽度的确定

9.5 小结

参考文献

第十章 南京段长江堤防工程地质条件

10.1 地质构造对堤防稳定的控制和影响

10.2 长江下游河道演变及不良地质现象的形成发展

10.3 堤基土沉积环境及特征

10.4 长江两岸的水文地质条件

10.5 河势演变及抗冲稳定

10.6 堤基土层及物理力学指标

10.7 堤防渗漏及渗稳问题

10.8 堤防隐患病患的原因及性质

参考文献

第十一章 堤防除险加固设计施工及效果分析

11.1 垂直铺塑悬挂式防渗墙

11.1.1 土工膜的选择

11.1.2 施工工艺

11.1.3 主要施工操作方法

11.1.4 质量控制

11.2 帷幕灌浆悬挂式防渗墙

11.2.1 施工准备

11.2.2 循环钻灌法

11.2.3 打入花管灌浆法

11.2.4 预埋袖阀花管灌浆法

11.3 质量检查与效果评价

11.4 长江南京段堤防防渗处理实例

11.4.1 浦口林山圩堤防险段防渗处理

11.4.2 栖霞区四段圩堤防险段防渗处理

11.5 经验及教训

11.5.1 铺塑施工中的问题

11.5.2 灌浆施工中的问题

11.6 质量与效果检验

参考文献 2100433B

《悬挂式防渗墙控制堤基渗透变形的机理与工程应用》针对长江下游江堤绝大多数为上部是弱透水的粉质黏土、下部为深度大的透水性砂土或粉土的双层地基情况，系统研究了悬挂式防渗墙控制堤基渗透变形的机理和效果。《悬挂式防渗墙控制堤基渗透变形的机理与工程应用》主要内容包括双层堤基在洪水期间发生渗透变形的危害、渗透变形与水位、渗流梯度等的关系，悬挂式防渗墙的类型、位置、深度以及河床切入透水性地层深度等对控制堤基发生渗透变形影响。研究成果表明，在深厚透水性堤基中设置悬挂式防渗墙对控制堤基渗透变形有良好的效果，特别是短的悬挂式防渗墙就能有效提高表观临界水力梯度，保证堤外水位在明显增加条件下也不发生渗透变形。《悬挂式防渗墙控制堤基渗透变形的机理与工程应用》所介绍的研究成果已经在长江南京段控制堤基渗透变形工程中得到大量应用，现场观测结果表明悬挂式防渗墙可有效保证堤基的渗透稳定性，且提出的悬挂式防渗墙类型、位置、深度以及河床切入透水性地层深度等与表观临界水力梯度的关系能够指导类似工程的悬挂式防渗墙设计与施工。

《悬挂式防渗墙控制堤基渗透变形的机理与工程应用》可供水利工程和岩土工程领域的科研工作者及设计施工技术人员参考，也可作为高等院校水利工程和岩土工程专业研究生的参考书。

渗透破坏与渗透变形不同，只要存在颗粒的运动就会发生渗透变形，而渗透破坏则是指堤基在渗流作用下失去承载力和稳定性。对于任何水工建（构）筑物地基而言，渗透变形的形式既可能是单一形式出现，也可能是多种形式伴随出现。渗透变形的进一步发展可能是大量颗粒涌出，堤基承载力降低，沉降加剧，堤防失稳，但也有一些堤基，管涌发生了几十年，而堤基并未破坏。同属管涌型的土，渗透变形后的发展过程可能有所不同。有些学者提出了表征渗透破坏的) 大特征：①渗流量大幅度增加；②供水压力维持不住，大幅度下降；③颗粒大量涌出，涌出物的尺寸也不断加大；④测压计读数波动。这些特征是形成贯通上下游通道的必然结果。

坝的地基在长期渗流作用下，土体颗粒流失，导致地基变形甚至破坏的现象。水工建筑物地基的渗透变形，主要发生在砂砾石层和胶结不良的断层破碎带中。工程实践表明，地基渗透变形可使岩土体孔隙增大，承载力降低,甚至出现管道空洞,导致地基失稳，在闸、坝、堤防事故中占有很大比例。因此，研究坝基岩土体渗透变形及其防治措施，是关系到水利工程安全运行的关键问题之一。

渗透变形形式一般有管涌、流土、接触冲刷，其中以管涌和流土最为常见。它们与岩土体结构、颗粒级配和水力条件等因素有关。

管涌渗流将土体中细颗粒带走的现象，又称潜蚀。在砂砾石层中，特别在缺乏中间粒径的砂砾石层中最易发生。在未胶结的断层破碎带中也可见到管涌。当岩层的胶结物为易溶的岩盐和石膏时，在渗流作用下，胶结物被溶解带走，又称化学管涌。根据管涌随时间发展的不同情况，可分为发展性管涌和非发展性管涌。前者是指在一定渗透流速下，管涌随时间连续发展，最终引起土体破坏；后者是指在某一渗透流速下，发生管涌，有细粒移动和带出，但其带出量不大，也不随时间而增加，经一段时间后细颗粒甚至停止跳动和带出，渗透系数并不增大，土体仍不失去抗渗强度。

流土渗流动水压力使土体表层颗粒呈现浮动的现象。坝基往往由于排水失效，致使下游边坡逸出部位的动水压力大于土体自重，而导致流土发生。流土一般多发生在表层为弱透水层，下部为强透水的砂砾石层组成的双层地质结构中。

接触冲刷当渗流沿着粗细两种土层接触面或建筑物与地基的接触面流动时，沿接触面带走细颗粒的现象，称接触冲刷。对多层地质结构的土体，各层的渗透系数相差悬殊时，垂直层面渗流将渗透系数小的土层中的细粒带到渗透系数大的土层中的现象，又称接触流失。

渗透变形形式判别砂砾石地基上的水工建筑物渗透变形的发生及其形式的判断，在很大程度上取决于地基砂砾石的级配特征。20世纪50～60年代，砂砾石层渗透变形形式的判断,多以不均匀系数Cu)=d/d（d、d为土粒粒径,小于该粒径的颗粒重量分别占总重量的60%和10%）为依据,Cu)小于10的土渗透变形形式为流土;Cu)大于20的土为管涌土。60年代后,通过大量工程实践,发现级配不连续的土，尽管不均匀系数大于20，如果细粒含量大于35%,其渗透变形形式仍然是流土。因此,对于级配不连续的土，提出以细粒含量作为判别渗透变形形式的标准(表1)。区分粗细粒径的方法是：对级配不连续的土，以颗粒组成曲线中缺乏的粒径组或含量不足3%的粒径组,为粗细料的区分粒径；对级配连续的土，方法较多，一般为了简便，有的以1.0mm也有的以2.0mm作为区分粒径。双层地基的渗透变形形式主要为接触冲刷。一般认为相邻两层土体的d比值小于或等于10，且两层土的不均匀系数均小于或等于10时，将不致产生接触冲刷。反之，则应考虑接触冲刷问题。凡两层土体之间的渗透系数比值等于或小于10，或者两层土体的d比值小于或等于3时,可按单层土体结构来考虑（d为土粒粒径，小于该粒径的土重占总土重的20%）。

此外，当渗透变形形式确定后,也可根据表2选取临界比降与允许比降值。其中允许比降值的确定是采用了1～2的安全系数。鉴于流土破坏对建筑物的安全威胁最大，一般安全系数取大值，管涌一般取1.0～1.5。

对未胶结的断层破碎带、裂隙密集带和软弱夹层等，由于其颗粒组成变化较大，其渗透变形形式有管涌型也有流土型。抗渗能力主要与带内粘土矿物成分、可溶物质含量多少和细粒填充紧密程度有关。一般抗渗能力较高，不易产生渗透破坏。但当破碎带或软弱夹层两侧岩体裂隙发育，贯穿性好，或渗径短，使渗流比降大于夹层临界比降时，也会产生渗透破坏。2100433B