水力充填堤坝渗透特性研究

水库堤坝筑堤材料、堤基土层的渗透特性研究主要采用室内测定试验和现场抽（注）水试验以及水工模型试验等方法，相互验证补充，综合确定水库堤坝堤身和堤基渗透系数、临界渗流坡降及单宽渗流量等。

4.4.1.1 现场注水试验

1）试验目的

通过对已建类似工程进行现场注水试验，掌握其渗透特性。

2）试验方法

采用钻机钻孔；钻孔部分下套管，非试验段下套管，试验段不下套管；向套管内注入清水，使管中水位至套管顶面，记录注水时间和水头高度；管中水头下降值的观测时间，按30s间隔测5min、1min间隔测10min、5min间隔测45min、10min间隔测60min，最后测定该段静止水位（约12h）。对于较强的透水土层，观测时间间隔和总观测时间可适当缩短。

3）试验成果

四个已建堤坝工程（中央沙堤坝、陈行水库、永丰圩、南汇五期圈围）的现场注水试验成果见表4-8，现场注水试验结果表示的是各土层的水平向渗透性。从注水试验成果来看，各典型堤段堤身土工管袋充填结构的透水性一般大于其堤身吹填砂体的2～4倍，建议取平均值——3。堤身土渗透变形类型部分表现为管涌，部分表现为流土，建议根据具体渗透变形类型取小值用于设计分析。

表4-8 不同已建堤坝堤身土层渗透特性指标

4.4.1.2 水工模型试验

1）试验目的

在水槽中模拟堤身断面结构，掌握其渗透特性。

2）试验方法

试验在8m×0.3m×1m的玻璃水槽内进行，按照试验方案模拟的堤身结构来布置，分别有：①充泥管袋棱体堤身结构；②抛填砂袋堤身结构；③堤芯吹填砂结构；④设计拟定的浅滩北堤断面；⑤设计拟定的深滩东堤断面。

根据试验水槽尺寸，选定测定三种堤身单独结构（充泥管袋棱体堤身结构、抛填砂袋堤身结构、堤芯吹填砂结构）的渗透性能时，试验模拟采用1∶2比尺，即λL＝2；进行浅滩和深滩典型断面试验时采用1∶10，即λL＝10。

按照水力充填堤坝典型断面的结构来设计如图4-37～图4-39所示的模拟断面。

上、下游各有竖井式升降平水设备以调整水位。砂模型的顶面、底面、侧面都装有测压管。装好后的顶板以螺孔压杆压牢，并在板的各边界用玻璃胶密封，只留溢出。测压管测量渗流水头分布，录像机记录试验过程，并测渗流量等。

采用青草沙砂源地砂进行有针对性典型堤段的试验，故应按照砂模型规律推算天然原型。砂模型比尺的推导与水工模型类似，模型主要采用Fr相似准则进行设计，模型长度比尺，比尺λ的脚标是物理量，各量的脚标M代表模型，N代表天然原型。模型几何比尺λL＝λh（水平与垂直），流速比尺，流量比尺。

图4-37 1∶2比尺下充填管袋模型试验示意图

图4-38 1∶10比尺下抛填管袋模型试验示意图

图4-39 堤坝浅滩堤身结构模型试验示意图

3）试验成果

试验过程见图4-40，典型的试验成果见图4-41、图4-42。应用抛填管袋水槽试验和管涌筒8组试验结果，均为1∶10试验结果，用局部三维渗流有限元法数值模拟试验比尺条件和相应水头条件，主要比较了J＝0.05～0.2条件下8组试验结果和数值结果。用实测结果进行反演计算，反演出相应抛填袋孔隙渗透性。然后将该渗透性换算到实际比尺抛填管袋堆放，计算相应的综合渗透系数。两种试验结果对比后，推算到原体土工管袋的综合渗透系数平均为5.6×10－3cm／s。根据深滩断面试验结果的渗流场分布，渗流安全隐患存在于管袋间的接触渗透、上下游坡的出逸和下游土工管袋的流沙破坏。抛填沙袋的充填度对防渗效果的影响较大。

图4-40 孔压测量仪器布置

图4-41 浅滩吹填结构模型在水位差50.8cm下渗流场

图4-42 下游溢出物颗分测试结果

通过大量的试验，掌握了充泥管袋棱体堤身结构、抛填砂袋堤身结构、堤芯吹填砂结构、浅滩堤坝断面以及深滩堤坝断面的渗透特性。

4.4.1.3 室内测试

1）试验目的(www.xing528.com)

对现场的土样进行室内渗流土工试验，测定堤身土样的渗透特性。

2）试验方法

采用南55渗透仪进行土样渗透性测试。对原样砂源样和扰动样还采用大型管涌仪进行了渗透系数对比测试。对于黏性土，渗透系数测试采用变水头法，而砂土和砂质粉土采用常水头测试方法。同时，采用管涌仪进行渗透变形测试。

3）试验成果

对试验成果进行分段统计分析，得出地基土渗透特性参数。从大量土样试验结果可以看出，堤坝堤基广泛分布的砂质粉土和粉砂是决定堤坝堤基渗流稳定的关键层，由于堤线长，各处的表层渗透变形形式和特性不一。总体上，北堤上段和下段、东堤段以及长兴岛海塘、中央沙南段下段表层为砂质粉土或粉砂，粉土和粉砂渗透系数在10－3～10－4cm／s量纲，黏土渗透系数在10－6～10－7cm／s量纲，为流土破坏，临界坡降在0.85～1.35；北堤中段、中央沙南堤上段和中央沙西堤堤基表层为粉砂，属于管涌破坏，临界坡降为0.5～0.8。

堤坝筑堤形成后，运行中除中央沙和长兴岛海塘堤基表层有相对弱透水层外，其余堤段均为透水砂层出露，在双向水流的作用下，堤脚砂层出逸坡降最大，此时的破坏主要由砂层的水平破坏控制，而试验得出的水平坡降为0.08～0.13。

4.4.1.4 综合分析

1）渗透系数

（1）堤基土层。堤基土层渗透系数基于室内渗透试验和现场注水试验成果，综合分析确定。

（2）充填砂堤身。新建大堤堤身渗透系数通过工程类比、室内模型试验及原位测试等手段综合分析得出。

新建大堤堤基、堤身土层渗透系数取值见表4-9、表4-10。

表4-9 新建大堤堤基各土层渗透系数

表4-10 新建大堤堤身填土渗透系数

2）渗控标准的确定

青草沙水库渗控目标主要是将堤身和堤基的渗透坡降控制在允许范围内。

（1）堤基允许比降选用值。采用临界比降的小值平均值作为标准值，除以安全系数2.0，得到各典型堤段的允许渗流比降值。具体结果见表4-11。

表4-11 各典型堤段地基允许渗流坡降

（2）堤身渗流控制标准。根据水工模型试验成果，采用平均临界比降0.13除以安全系数1.5，同时考虑到土工反滤层的作用，将允许比降提高50％，接触冲刷允许比降为0.13。

（3）堤坡渗流控制标准。

①坡面的临界渗透比降。坡面渗出段的临界渗透比降可按下式计算：

浸没段的临界比降可按下式计算：

式中 γ——水的容重；

γ′1——土的浮容重；

C——出口段坝体填土的凝聚力；

φ——土的内摩擦角；

β——坝坡坡角。

②堤坡允许比降选用值。堤坡允许渗透比降根据计算临界比降除以安全系数1.5，同时考虑到土工反滤层的作用，将允许比降提高50％，各堤段出逸比降允许值汇总见表4-12。

表4-12 各典型堤段堤坡允许渗流坡降