悬挂式防渗墙防渗效果的模拟试验研究

收稿日期：2006–11–27；修回日期：2007–04–19 作者简介：王保田(1963–)，男，博士，1984 年毕业于河海大学地质及岩土工程系工程地质与水位地质专业，现任教授、博士生导师，主要从事岩土 工程测试技术和可靠度理论方面的教学与研究工作。E-mail：btwang@
WANG Baotian1，2，CHEN Xi′an1，2
(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China；2. Institute of Geotechnical Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China)
第 27 卷 增 1
王保田，等. 悬挂式防渗墙防渗效果的模拟试验研究
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1引言
洪涝灾害是我国危害最大、造成损失最严重的 自然灾害。大量洪灾资料[1]表明，堤基与堤身渗流 对河道堤坝破坏危害最大，其发生的数量多，分布 范围广，且易诱发重大溃堤险情。1998 年长江流域 大水，沿江发生管涌、冒砂等险情 9 405 处，其中 因渗漏问题出险的 7 548 处，出现了险情丛生的紧 张局面。长江中游 540 个重要堤防险情中有 90%是 由堤基问题引起的，其中 90%又是为管涌所致[2]。 对堤坝防渗前人已经作过研究，结果表明，堤坝结 构和地基结构对防治渗透变形十分重要[3]。随着可 动颗粒的流失，管涌破坏可转化为流土破坏[4]。李 守德等[5]认为，改善渗流场的形态是防治堤坝工程 管涌的关键措施。朱 伟和山村和也[6]研究认为，如 果有良好的隔水层，封闭式防渗墙具有确实的效果。 肖 四 喜 和 李 银 平 [7] 对 大 堤 管 涌 形 成 机 制 进 行 了 研 究，提出了相应的治理方法。
水位后，渗透通道从下游向上游发展而贯通，即发生渗透破坏。同时，研究发现，在悬挂式防渗墙作用下，堤基
土发生渗透破坏的条件有明显改善，表现在渗透破坏时的作用水头有较大的增长，临界表观水力梯度有明显提高，
渗流量显著减小，孔隙水压力分布发生变化。研究结果表明，悬挂式防渗墙可以有效控制渗透破坏的发生条件，
而且施工相对容易，也比较经济合理，可以在工程中推广应用。
第 27 卷 增 1 2008 年 6 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.27 Supp.1 June，2008
悬挂式防渗墙防渗效果的模拟试验研究
王保田 1，2，陈西安 1，2
(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2. 河海大学 岩土工程研究所，江苏 南京 210098)
表 1 试验用土的基本物理性质指标 Table 1 Basic physical property indexes of soil used in test
土类 含水率/%
粉质黏土 粉土
土类
34.8 25.6 塑性指 数 Ip
粉质黏土
13
粉土
9
干密度ρd
土粒
/(g·cm－3) 相对密度
液限 wL/%
本文通过模拟试验来研究悬挂式防渗墙的防渗 效果，讨论悬挂式防渗墙在阻滞堤基发生渗透变形 中的作用。本文的任务是观察二元结构堤基渗透变
形特性，分析表观水力梯度、渗流量、临界水头、 效益系数等随贯入度的变化特征，及悬挂式防渗墙 在阻滞二元结构堤基渗透变形中的作用。
2 试验用土的物理性质指标
试验用土取自长江堤防南京段，上层为渗透性 低的低液限黏土，下层为易发生渗透变形的低液限 粉土，这 2 层土的基本物理性质指标见表 1。试样 干密度与现场取土坑测试的土层实际干密度相同； 含水率也是现场测定。图 1 给出了 2 种土的颗粒分 析试验曲线。由图 1 可见，低液限粉土颗粒分析曲 线呈台阶形，缺乏中间粒径(0.004～0.017 mm)，当 有水流动时，易将小颗粒带走，渗透稳定性差，易 于产生渗透变形。
土粒直径/mm
0.001
图 1 颗粒分析试验曲线 Fig.1 Curves of particle size analysis
3 试验设计
3.1 渗流槽的结构 为了便于观测，渗流槽用有机玻璃制成。渗流
槽的结构由储水系统、槽身、溢水系统和饱和装置
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岩石力学与工程学报
2008 年
等部分组成。储水系统距槽首 40 cm，主要有储水 罐、导水管和有机玻璃管组成。出水口 1 用来模拟 堤基中粉土层发生渗透变形的位置，距槽首 80 cm。 出水口 2 用来模拟天然堤基渗流在无限远处消散的 位置。饱和装置由储水容器和导水管两部分组成， 导水管一端设置在槽底端，另一端与储水容器相连 接。槽身的一侧装有测压管，可以测量渗流槽内不 同点的水位。测压管有 2 排，间距为 20 cm，各个 测压管的间距也都是 20 cm。试验时由储水系统注 水，并通过储水罐调整到要求高度。槽身设置土壤 模型，模拟渗透变形孔可导出由槽身排出的渗水， 经模拟渗透变形孔渗流出的水量可用量筒量测。 3.2 模型尺寸
关键词：水利工程；二元结构堤基；渗透变形；悬挂式防渗墙；渗流槽模拟试验
中图分类号：TV 139.16
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2008)增 1–2766–06
RESEARCH ON EFFECT OF SUSPENDED CUT-OFF WALL WITH SIMULATION TEST
塑限 wP/%
1.60
2.75
31
18
1.45
2.74
33
24
颗粒分析/%
砂粒
粉粒
黏粒
渗透系数 k20/(cm·s－1)
5
75
20
6.16×10－6
13
75
121.07×10－4源自小于某粒径土质量百分数/%
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1
粉质黏土 粉土
0.1
0.01
(4) 渗流和渗透变形试验。储水罐与两个水管 相连接，其中一个水管接自来水，另一个水管作为 溢水管直接将多余的水排出储水系统。试验时将自 来水通过水管加到储水罐中，并通过溢水管保持恒 定的水位，同时观察测压管中的水位变化。待测压 管中的水位稳定后记录测压管中的水位和出水口 1 处一定时间内溢出的水量。
Abstract：The model test for simulating effect of suspended cut-off wall on preventing seepage failure in two-layer foundation of levee has been carried out in a sandbox. The experimental results for different suspension depths have been obtained. The results indicate that the suspended cut-off wall has significant effects on the prevention of seepage failure as well as reduction of seepage quantity in two-layer foundation of levee which is composed of upper clay and lower silt soil during the stability seepage. For the two-layer foundation of levee，sand spring occurs at the weak positions，then contact erosion occurs at the interface of silt clay and silt. When the water level rises continuously and exceeds the critical water level，the seepage channel develops from downstream to upstream，and runs through the whole soil. At this time，the seepage failure occurs. Research indicates that，under the function of suspended cut-off wall，the condition that seepage failure occurs has been improved，for example， the water level rises greatly，critical apparent hydraulic gradient increases obviously，the seepage quantity reduces distinctly，and the pore water pressure changes evidently. The results show that the suspended cut-off wall can prevent the seepage failure effectively，at the same time，it is constructed easily and acceptable in economy，so it is worth applying in project. Key words：hydraulic engineering；two-layer foundation of levee；seepage deformation；suspended cut-off wall； model test of sandbox