堤防加固工程中防渗墙的防渗效果及应用条件研究

收稿日期:2001-06-15

基金项目:国家自然科学基金委员会和长江水利委员会联合资助的重大项目(50099620-3-1)

作者简介:张家发(1960-),男,安徽安庆人,长江科学院土工研究所教授级高级工程师,主要从事岩土工程和水工渗流力学研究.

文章编号:1001-5485(2001)05-0056-05

堤防加固工程中防渗墙的防渗效果及应用条件研究

张家发1,吴昌瑜1,李胜常2,王满兴1

(1.长江科学院土工研究所,湖北武汉 430010;2.长江水利委员会计划局,湖北武汉 430010)

摘要:对于采用防渗墙作为加固工程措施的长江重要堤防典型条件,用与设计规范相对应的理论对渗流场进行模拟,分析悬挂式防渗墙的防渗效果和变化规律,半封闭式防渗墙在各种因素作用下防渗效果的变化规律,对全封闭式防渗墙指出了可能影响防渗效果的因素;对不同结构形式防渗墙的设计与应用原则进行了讨论;首次提出了悬挂式防渗墙设计的防渗墙贯入比-比降曲线法,以及半封闭式防渗墙设计的防渗依托层渗透性-比降曲线法、厚度-比降曲线法和B 值-比降曲线法。

关 键 词:防渗墙;渗流控制;出逸比降;应用条件;设计方法中图分类号:T V 871.1 文献标识码:A

防渗墙对于堤防工程是最为有效的防渗处理措施之一[1]。5堤防工程设计规范6(GB50286-98)[2]已述及防渗墙的设计,但至今为止,对堤防加固工程防渗墙的结构形式及其应用条件还缺乏全面系统的研究。文献[3]对半封闭式防渗墙提出了几个具体结构参数的确定方法,但没有与防渗墙的防渗效果建立直接的联系。与枢纽工程相比,堤防工程一般作用水头较低,堤线又长,通过不同结构形式防渗墙防渗效果和应用条件的研究使得防渗墙既满足工程安全要求又尽可能地节约投资,很有必要。本文对防渗墙的不同结构形式及其渗流控制效果影响因素进行分析,指出各自的设计原则和应用条件。采用的渗流分析理论模型与设计规范相适应,所得出的规律性结论可供堤防加固工程设计参考引用。

1 防渗墙结构形式及条件和研究方法

1.1 防渗墙的不同结构形式

堤防加固工程防渗墙有3种结构形式:悬挂式、半封闭式和全封闭式。悬挂式防渗墙的底面位于相对强透水层中;半封闭式防渗墙穿过相对强透水层,进入相对弱透水层并与之一起形成统一的防渗结构体系,该相对弱透水层称为防渗依托层,它下面还有相对强透水层存在;全封闭式防渗墙也进入相对弱透水层中,但防渗墙底面所在相对弱透水层以下没有相对强透水层。一般情况下,全封闭式防渗墙是

以基岩透水性较弱或其强透水层位于深部而不会对堤后表层渗流状态发生影响作为前提条件的。打入深厚第三系粘土层中的防渗墙,也可以看作全封闭式防渗墙。

当堤身质量较差时,防渗墙可以从堤顶布置;当堤身质量较好,或对堤身采用其它措施加固时,防渗墙从堤外脚布置。本文主要针对堤身堤基联合设置的防渗墙开展研究。当防渗墙从堤外脚布置时,结合考虑堤身的防渗措施后,也可参照使用本文提出的方法和结论。

1.2 分析条件

参照长江流域一级堤防的标准断面,本文考虑的典型条件是:顶宽10m,安全超高2m,内外坡比1B 3,设计水位高出堤内地面8m;内平台宽30m,厚2m,末端坡比1B 3;堤身渗透系数为1@10-5

cm/s 。堤身断面与文献[4]完全一致。防渗墙按一般设计标准设定其厚度为20cm,渗透系数为1@10-6

cm /s 。防渗墙厚度和渗透性也是其防渗效果的重

要影响因素,但它们是防渗墙的设计指标,本文不进行讨论。1.3 研究方法

渗流场的数值模拟技术[5]

已经很成熟,可以广泛地应用于生产和科研。本文与文献[4]一样,主要以数值模拟作为研究手段。采用的渗流场有限元计算程序经过了长期工程实践的检验,这里不做介绍。

表层为强透水层的堤基,按均匀介质的确定性模型计算得出的出逸比降往往很低,但这种表层强

第18卷第5期长 江 科 学 院 院 报

Vol.18N o.52001年10月

Journal of Yangtze River Scientific Research Institute Oct.2001

图1 有悬挂式防渗墙(贯入比50%)的典型剖面渗流等势线Fig.1 Equipotential lines in the seepag e field under typical conditions of dy ke

wit h cut -off wall of suspension type(penctration r atio at 50%)

透水层由于沉积时局部水流条件的影响常常具有非均匀性,这是砂性土堤基出险的主要内因。本文暂不将这类堤基作为研究对象,而是研究表层有一层相对弱透水覆盖层的堤基。在这种条件下,平台脚的垂直出逸比降最能反映防渗效果。所以,本文将主要通过对比分析平台脚的垂直出逸比降来说明垂直防渗墙的防渗效果及其规律,并提出相应的设计和应用原则。

2 悬挂式防渗墙的防渗效果

本节考虑的典型条件是双层结构堤基。弱透水

覆盖层为2m 厚的粉质壤土,透水层50cm 厚,外滩宽度考虑了40m 和300m 两种情况。外滩宽度为40m 时的计算断面如图1所示。

将防渗墙进入透水层深度(D W )与透水层厚度(DP )之比定义为防渗墙贯入比G ,G =(DW /DP )@100%。对各种贯入比情况下的渗流场进行了计算。由图1可见,防渗墙下游附近的渗流场分布有所改变,自由面也有所降低,但防渗墙的影响范围有限,堤后的渗流状态没有明显改善。

图2是根据数值计算结果整理得出的平台脚处垂直出逸比降随悬挂式防渗墙贯入比变化的曲线,简称为贯入比-比降曲线。由图2可见,两种外滩宽度条件下,悬挂式防渗墙都使平台脚处垂直出逸比降降低,但在贯入比很小(图中为10%以内)时,它对平台脚垂直出逸比降的影响很小;随着贯入比的增加,平台脚垂直出逸比降降低的程度逐渐增大,但仅当贯入比接近100%,平台脚垂直出逸比降才会显著降低,

堤基的渗流状态才会明显改善。

图2 内平台脚垂直出逸比降与防渗墙贯入比关系曲线F ig.2 Curv es of vertical exit grallient at the of platform

vs the penetr atio rate of cut -off wall

3 半封闭式防渗墙的防渗效果

半封闭式防渗墙的关键是要有可靠的防渗依托

层与防渗墙一起形成防渗结构,而防渗依托层是否

可靠则取决于它的厚度和渗透性。同时,弱透水覆盖层的厚度和渗透性、防渗依托层下伏强透水层的渗透性、外滩宽度、河泓切割情况也都可能对半封闭式防渗墙的防渗效果发生影响。当然,这里所指的防渗依托层必须在防渗墙轴线的下游方向是完整的和连续分布的,所谓厚度也是指在工程影响范围内的最小厚度。

考虑典型情况,给定如下条件:第一层强透水层厚5cm ,渗透系数1@10-3cm/s;防渗墙深入至防渗依托层中2m 。

3.1 防渗依托层的影响

在防渗依托层厚10m,其下伏深厚强透水层渗透系数为1@10-2

cm/s,表层相对弱透水层厚4m,渗透系数为1@10-5cm/s,外滩宽40m,河泓切割至第二层强透水层底面的条件下,模拟了防渗依托层不同渗透系数时布置半封闭式防渗墙前后的渗流场。图3为防渗依托层渗透性-比降曲线,由图可见,防渗依托层的渗透性对平台脚垂直出逸比降的影响很显著,渗透性低时,出逸比降较低。

图3 防渗依托层厚度为10m 时平台脚垂直出逸比降

随防渗依托层渗透系数变化曲线

F ig.3 V ertical ex it gr adient at the toe of platform vs the permeability coefficient of less per meable stratum (t hickness d =10m)wor king w ith and w ithout

cut -off wall of sem-i closure type

在防渗依托层渗透系数为1@10-6cm /s 条件

下,模拟其不同厚度时布置半封闭式防渗墙前后的

渗流场,其它条件不变。图4为防渗依托层厚度-比降曲线。曲线显示,平台脚垂直出逸比降随防渗依

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