堤基渗透稳定性优化方案

黄河在较大洪水期，大堤临背河形成了较大的水位差，堤（坝）基的渗透压力增大。当渗透比降超过土的抗渗比降时，可使堤基土体产生渗透变形或渗透破坏，见图2-6。大堤由于渗透变形而失事的约占整个失事原因的1/3。黄河于1885年及1890年在济阳韩家寺及任家坟的决口，是因大堤背河坟地先出现冒水喷沙，逐渐形成漏洞而后大堤溃决。利津县五庄，1955年1月19日，因河道卡冰，河水位抬高，堤基下产生漏洞，经抢救无效，大堤发生溃决。山东省东营市，黄河河口地区的孤东水库，坝基为粉砂和砂壤土，在上、下游水位差仅3m的情况下，因在坝下游开挖泵站，使水头差增大，坑内产生渗透变形，继之发生垮坝事故。黄河下游河道、古河道及决口口门处，分布着较多的砂层或上覆粘性土较薄的双层及多层结构的地层，容易产生渗透变形。从上述实例及实际情况说明，渗透稳定性问题，无疑是影响黄河大堤及水工建筑物稳定性的主要工程地质问题之一。

图2-6　渗透变形剖面示意图

渗透变形的类型和形态多种多样，需要对其进行判别及描述，以便进行相应的处理。抗渗比降是进行防渗加固设计的重要参数，也需要进行研究，黄河部分堤段堤基土实测比降和允许比降见表2-10。

表2-10　各类土的实测比降及允许比降

① 不同安全系数条件下的允许比降范围值；
② 不同安全系数条件下的允许比降值。

（一）黄河下游堤基渗透变形的分布规律

1.堤基渗透变形概况

1964年为了编制黄河治理规划，由黄委会勘测规划设计研究院、黄委会水科院及黄委会河务局组成的下游调查组沿大堤进行了全面调查，其内容包括历史决口口门的概况，渗水、管涌情况及大堤的隐患等。以该次调查的资料为基础，对历史资料特别是近十几年来的险点统计资料进行了补充及修正。并向全河各修防段（县河务局）进行函调核对。从整理的渗水及渗透变形的资料可以看出，黄河下游自1949年以来，历年大洪水期，堤基（不包括堤身渗水）发生渗水的堤段共有290处，其中左岸175处，右岸115处；河南省52处，山东省238处；属严重渗水的有112处，发生过渗透堤段有114处；109处堤段的堤基分布有老口门，占全部渗水堤段的37%。从上述资料可知，黄河下游临黄堤防在历史上大洪水期发生渗水、严重渗水及渗透变形的堤段是不少的，问题也是严重的。发生渗水及渗透变形的时间多在1954年及1958年大洪水时期。经过多年来对大堤进行加固处理，洪水期发生渗透变形的堤段逐渐减少，但是在1976年及1982年大洪水期，有些原来并不渗水或渗透变形的堤段如山东省济阳县的邢家渡及天兴庄等堤段却发生了渗水问题。

2.工程实例

（1）东平湖水库。1960年夏秋季，蓄水期间，当库水位为43.5m，上、下游水位差约4.5m时，在水库围坝的东坝段，有8处发生了严重的渗透变形，在坝下游坡脚及取土坑中出现了约2140个泉涌及沙沸。出现渗透变形的坝段如杨城坝及熊村等坝基均位于汶河冲积扇上，在埋藏的古河道内，分布着较厚的中细砂及砾质粗砂。坝基多为上部粘性土下部砂层的双层结构，泉涌多发生在粘性土被挖薄的取土坑中。渗透坡降为0.7～1.2，超过了土的临界坡降。

（2）白马泉堤段。白马泉堤段位于河南省武陟县临黄堤公里桩号68+469～69+269m处。该段恰位于沁河和黄河交汇处，沁河堤和黄河堤成直角相交，黄河、沁河水补给地下水，地下水为辐射流呈收敛型向背河汇聚，形成集中渗流。背河的地层属双层结构类型，上部为粉质壤土，下部为深厚的粉细中砂层。该处常年渗水，形成沼泽化地带。1958年8月大洪水时，背河侧距大堤18～53m的稻田沟内，发生比较严重的渗透变形，其中出水口直径3～12cm的泉涌27个，沙沸不计其数，并翻起稀泥三堆，造成重大险情，后经设减压井及放淤处理，加上黄河主流靠近南岸，才使该段脱离险情。昔日的沼泽地现已变成了良田。

（3）东阿县牛屯。桩号7+000～8+500m堤段，该段堤基有老口门，分布有砂土。在1957年洪水期内，背河渗水严重，距堤脚5m附近，曾出现砂环直径5～50cm的泉涌498个，堤脚翻出黑色淤泥。大堤堤坡下部发生局部滑动，俗称脱坡，其长266m。

（4）齐河董寺。桩号79+650～80+100m堤段，该段堤基为粉砂及砂壤土。历年来洪水期渗水严重，并经常发生泉涌。1957年背河渗水成流，直径6～7cm的泉涌出现90个，1954年及1964年大堤还发生了脱坡现象。

上述发生严重渗透变形的堤（坝）段，都已及时的进行了加固处理。(www.xing528.com)

3.堤（坝）基渗水及渗透变形的分布规律

（1）发生渗水及渗透变形地基的地层结构多为砂性土单层结构和上部为薄层粘性土下为砂性土的双层结构，其次为砂性土多层结构，而且临背河的砂层相互贯通，只有这样才能传递渗透压力，在渗透压力超过土的允许坡降时，才能产生渗透变形。

（2）渗透变形多发生在堤（坝）基有古河道或老口门分布的地段。出现渗流问题的临黄堤段，据不完全统计，有37%堤基内分布有老口门。如兰考县南北庄的堤基，渗水严重，就是因为有黄河故道通过；东平湖水库蓄水期间发生渗透变形的堤段，多是汶河古道通过之处，多数有厚砂层分布。

（3）渗透变形多发生在河流凸岸及支流与黄河交汇处。因该处地下水接受地表水多向补给，成辐射流使背河形成集中渗流的不利条件。如武陟县的白马泉及济南的常棋屯等地，都属这种类型。在洪水期都出现过严重渗水及渗透变形问题。

（4）渗透变形发生的地点，一般在临黄堤背河距堤脚10～20m以内的取土坑、水潭、塘坑、稻田沟及水沟等迎水面的边坡附近，远的为50余m，个别情况如鄄城县康屯，1982年洪水期，在距大堤190m，深3.6m的坑塘内，还发生了4个出水口直径25cm的泉涌。

（5）渗透变形的形态多为泉涌及沙沸，鼓包较少，冒水裂缝及翻泥更少。

（二）典型断面的稳定性

1986年黄河水利科学研究院，对黄河大堤选择了20个典型断面进行了渗透稳定分析。Ⅰ区北岸有武陟张菜园、封丘、于店—大功、曹岗、大功—渠村、濮阳吉庄；南岸有郑州岗里、开封柳园口、杨桥—柳园口、东明阎潭、菏泽刘庄、郓城伟庄等12个断面。Ⅱ区左岸的有东阿旧城、齐河董家寺、张村、南坦；右岸有济南王庄等5个断面。Ⅳ区左岸有白龙湾，右岸有章丘屋子等2个断面。大堤高度在5.3～13.3m之间，堤身大部分由砂壤土和粉细砂组成。堤基上部多为粉细砂、砂壤土、壤土和粘土互层；7～8m以下为砂土。河水位按1995年设防水位，背河水位按背河堤脚地面高程。渗流分析按两向稳定流有限单元法计算。王庄断面还用电拟试验进行了验证，其结果与计算结果很接近。研究程序首先按现状计算，如不稳定再按淤背宽度为30m、50m、100m不等进行计算。流土坡降采用太沙基公式计算，安全系数采用3。经现状计算，有10个断面达到了稳定要求，有6个断面背河出逸点高出地面1m多，4个断面安全系数小于3。采用淤背后，多数均达到了稳定的要求，仅武陟张菜园断面的安全系数为1.644，王庄也比淤背前更小。这主要是堤基存在透水性强的承压水，沿程水头损失很小，淤土渗透系数小，起阻渗作用等原因造成出渗段向后推移，难以降低出渗比降。

从试验中看出，当大堤背河情况相同、临河地面不同时，在相同的水头作用下，对大堤的渗透稳定影响不大。而当大堤临河高程相同、背河高程不同时，由于水头差变化大，因而大堤背河堤脚的出渗坡降也就有较大的变化。

对于修筑后戗措施的研究，黄委会水科院选择了张菜园、曹岗、于店—大功、大功—渠村、吉庄等5个不同类型的堤段，按修筑顶宽6m，边坡1∶5的后戗，用有限元计算加固堤防的渗透稳定性，临界坡降采用太沙基公式。计算结果列入表2-11。由表2-11可知，用修筑后戗加固堤防，对渗透稳定度提高不大，堤坡现状出渗者，加后戗后依然出渗，背河堤基出逸比降减小也有限，特别是在有压渗流的张菜园和吉庄堤段减小更少或几乎不减小。后戗如用透水性小的土料，由于妨碍了堤身排渗，背河出渗点反而出现抬高现象，如大功—渠村堤段，堤身为砂层，后戗用壤土，出渗点由2.4m抬高到7m，有些背河出逸比降虽有所减小，但也未达到要求。

表2-11　典型堤段加后戗处理渗流计算成果

在大功—渠村堤段，研究了防渗墙截渗措施的作用。采用从堤顶中心线向下设0.2m厚渗透系数为1×10-7cm/s的水泥砂浆防渗墙加固大堤的方法，计算结果见表2-12。当防渗墙深入地下2m，截断堤身和堤基上部粉细砂层，可使堤身浸润线降低，背河堤脚出逸比降减小，但堤坡出逸点仍较高；当防渗墙深12m，截断上部及下部主要透水粉细砂层时，防渗墙后浸润线及堤基出逸比降均可大幅度的下降。在张菜园堤段研究了悬挂式防渗墙的效果，由于堤基下部有深厚的透水砂层，采用悬挂式防渗墙的措施没有截断主要透水层，虽然对防止堤身渗漏及降低堤身下游的浸润线效果是好的，但是对于减小堤基的出逸比降的作用不大。

表2-12　典型堤段防渗墙处理渗流计算成果