2018堤防垂直防渗墙效果分析
摘要：本文主要是通过对某堤防渗流特点以及地质条件的分析，对垂直防渗墙的结构类型和适用性进行了分析和比较, 并计算了防渗墙结构类型和地质条件对防渗效果的影响。http://
关键词：堤防；垂直防渗；渗流
分类号：TV543文献标识码：A-E文章编号：2095-2104（2011）12-057―01
1、实例概况
1.1 水文地质条件
某河流域堤防位于第四系冲积层。土层按渗透性可分为两大类, 其一为砂土类, 包括砂壤土、粉细砂, 具有较强的渗透性；其二为粘性土类, 如粉质壤土、粉质粘土、粘土及淤泥质土, 具弱透水性。地层中的孔隙水按埋藏条件还可分为孔隙潜水及孔隙承压水。孔隙潜水多分布在河漫滩、古河道等地段的砂性土、壤土中, 水位埋深浅, 水量丰富, 含水层厚度很不均匀。孔隙承压水多分布在具有二元结构的阶地及高漫滩部位, 砂和砂砾石含水层埋深不一,有些地段由含水层与隔水层相间分布, 构成多层承压含水层的层状水文地质结构。
1.2 堤身类型
堤身材料是构成堤防工程的材料, 其工程性质直接影响堤防工程的质量, 亦是导致堤防工程质量隐患的重要原因。现在的堤防绝大部分都是修建在第四系冲积层上, 根据堤身土质及地层钻探资料可知: 堤身材料取自附近土层, 堤身土质与附近地面2m内的土层的土质基本相同。一般有四类土质:
（1）砂堤: 砂土堤身迎水坡覆盖有粘土防渗层。
（2）粉土或砂淤两合土堤段: 两种土料填筑。
（3）粘性土堤段: 大多数为此类, 问题较少。
（4）杂填土堤段: 属城市堤防, 有砖头、垃圾, 给防洪带来很大的威胁。
1.3 堤基类型
堤防的渗透破坏主要是由渗透水流和土体自身性状两方面因素的控制, 其中堤基结构是影响堤防渗透稳定性的主要因素。不同的土层有不同的渗透性, 而不同的渗透性土层的位置和分布, 对堤防的整体的抗渗性有很大的影响。按强弱透水性土的组合型式, 结合防渗工程的特点,该河流域堤防堤基土层的地质结构大致可分为单一结构、二元结构及多元结构三种类型。
（1）单一结构：堤基基本由一种类别的土层组成, 可分为两个亚类, 即I1和I2类, I1类堤基由粘土、粉质粘土组成，下伏基岩，该类堤基防渗条件好,或者较好。 I2类堤基基本无粘性土或上部粘土层少于2m, 透水砂性土层厚度大, 该类堤基抗渗条件差, 汛期管涌等险情多, 是重点的险工险段。
（2）二元结构：地层上部为相对隔水的粘性土盖层, 下部为透水砂层、砂砾石层。依据粘性土盖层的厚度可分为3个亚类, 即Ⅱ1类、Ⅱ2类和Ⅱ3类。Ⅱ1类粘性土盖层薄, 厚度一般小于5m, 下部砂层厚, 透水性强,堤基抗渗能力较差, 汛期管涌、散浸险情多；Ⅱ2类粘性土盖层较厚, 厚度一般为5~10m, 下部砂性土盖层厚度较大, 透水性强, 由于覆盖层较厚, 在无池塘、沟谷切割的条件下，抗渗条件较好；Ⅱ3类粘性土较厚, 厚度一般大于10m, 下部为透水砂层, 但由于堤基粘性土盖层厚度大, 土体抗渗条件好。
（3）多层结构：堤基为较稳定的粘性土隔水层与强透水的砂和砂砾石层相间分布, 构成多层透水地基, 其抗渗条件的好坏主要取决于顶层粘性土盖层的厚度。综合上述的分析, 可以看出, 堤基防渗处理范围应该是下面三个亚类: I2类单一砂性土地基、Ⅱ1类粘土盖层厚度薄的二元结构地基、Ⅲ类多层结构地基中的浅层透水层。
2、渗流稳定计算
2.1 工程条件
根据某堤基土层结构以及防渗工程设计的基本要求,选取防渗工程治理最常见的多元结构和二元结构堤基为研究对象,堤身渗透系数为1x10-2cm/s,具有透水性, 地表层渗透系数为7x10-4cm/s, 堤基砂壤土的渗透系数为2x10- 2cm/s,下卧弱透水层渗透系数1.1x10-4cm/s。防渗墙按一般设计标准设定其厚度为20cm, 渗透系数为1x10-6cm/s。堤防的上游水位取为4.5m,下游水位为0m, 见图1、图2、图3 中渗流等势线按数目从0~4.5m呈等间距分布。
图1 无防渗墙时的渗流等势线
图2 防渗墙贯入深度为15m时的渗流等势线
图3 防渗墙贯入深度为20m时的渗流等势线
2.2 悬挂式防渗墙的防渗效果
计算结果表明, 悬挂式防渗墙的水位变化过程线与无防渗墙时的水位变化过程线基本一致。这是由于主要的输水层位是下部的粗颗粒含水层, 尽管悬挂式防渗墙的防渗深度已达地面以下15m，但没有影响主要含水层的渗流能力。因此，对地下水位的影响甚微，达不到相应的防渗效果。
2.3 半封闭式防渗墙的防渗效果
（1） 半封闭防渗墙与封闭防渗墙的效果比较
取半封闭防渗墙最底部强透水层的厚度为4m, 渗透系数为2x10-2cm/ s, 其他条件与封闭防渗墙相同。从图4、5 可以看出, 贯穿防渗依托层的半封闭防渗墙和封闭防渗墙相比相差不是很大, 防渗效果相当。所以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, 最主要的因素是防渗依托层, 不仅要考虑依托层的埋深, 而且还要考虑它的渗透性和厚度。埋深决定了防渗帷幕的工程造价, 而渗透性和厚度是决定半封闭防渗墙技术可靠性的主要因素。因此选用半封闭式防渗墙措施时在合理深度内找到防渗依托层是首要任务, 必须在勘察资料明确弱透水层是连续的、有足够大的厚度和足够小的渗透性, 并经过渗流计算及充分论证后方可采用。
图4 半封闭防渗墙渗流等势线
图5封闭防渗墙渗流等势线
（2） 防渗依托层的影响
取防渗墙的贯入深度为25m, 模拟防渗依托层不同渗透系数时半封闭式防渗墙前后的渗流场, 如图6、7、8所示。
图6 依托层渗透系数为1.1x10-2cm/s的渗流等势线
图7 依托层渗透系数为1.1x10-4cm/s的渗流等势线
图8依托层渗透系数为1.1x10-6cm/s的渗流等势线
从图6、7、8 可以看出在防渗依托层的厚度一定时, 防渗依托层的渗透性对防渗效果有很大的影响,如果依托层渗透系数较大情况下, 即使防渗墙的贯入深度加大, 它所达到的防渗效果仍然较差。图6其实可以看成悬挂式防渗墙, 这也验证了悬挂式防渗墙的防渗效果确实不够理想。而从图7、8 可以看出, 当防渗依托层和强透水层渗透系数相差两个数量级以上时, 防渗效果比较理想。
（3） 弱透水覆盖层的影响
对于有弱透水覆盖层的堤基来说, 覆盖层的厚度是影响渗流场分布的重要因素。覆盖层厚度分别为5m、10m 时渗流场的模拟计算如图9、10 所示。
图9覆盖层厚度为5m的渗流等势线
图10覆盖层厚度为10m的渗流等势线
从图9、10 可以看出: 覆盖层越薄, 堤身的出逸段就越高, 出逸比降越大。这说明覆盖层越薄, 渗流场的分布越不利于堤身堤基的安全, 防渗墙的防渗效果有赖于覆盖层有足够的厚度。
（4） 强透水层的影响
弱透水覆盖层下强透水层厚度分别5m、20m 时渗流场的模拟计算结果如图11、12。从图11、12 可以看出, 在表面存在弱透水覆盖层的条件下, 强透水层越厚, 堤身的出逸段就越高, 堤脚的出逸比降、平均垂直比降越大。这说明强透水层越厚, 渗流场的分布越不利于堤身堤基的安全。而且,强透水层越厚, 实际上越增加加固处理的难度。
图11 透水层厚度为5m的渗流等势线
图12 透水层厚度为20m的渗流等势线
2.4 封闭式防渗墙的防渗效果
全封闭式防渗墙对于堤内地下水位的变化具有明显的影响。因此, 对于堤基透水层较薄, 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。
3、结论
总之，悬挂式防渗墙的水位变化过程线与无防渗墙时的水位变化过程线基本一致。因此, 防渗效果不理想。贯穿强透水层的半封闭防渗墙和封闭防渗墙相差不大, 防渗效果相当, 而且其防渗效果和依托层的渗透系数以及弱透水覆盖层的厚度关系密切。垂直防渗墙设计的关键是找到弱透水层防渗依托层。而且防渗底板的埋深同样决定防渗墙的深度、工程量及施工难度, 从而决定防渗墙的经济、技术可行性。防渗底板完整性和低渗透性是保证全封闭式防渗墙防渗效果的关键。
参考文献：
邹银生,张晓斌.垂直防渗施工方法分析比较.湖南水利水电. 2008(01)
罗谷怀,罗玉龙,彭华.洞庭湖区堤防垂直防渗模型研究.岩土力学.2008(08)
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。2390
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