摘要
渗透破坏是江河大堤在汛期的常见险情之一。在病险堤坝的处治过程中，形成了一些比较成熟的治理技术，积累了丰富的经验。垂直防渗技术已广泛用于堤坝的除险加固，是病险堤坝的主要防渗加固措施。防渗墙是垂直防渗技术中的一种，按其结构型式可以分为三类：封闭式、半封闭式和悬挂式。
长江中下游地区堤防防渗现状研究成果表明，长江中下游堤基大多为二元结构且多为深厚的软弱土，缺乏可靠的防渗措施。长江中下游堤防虽经历代帮宽加高，仍存在着堤身土质杂乱、压实度小、填筑质量差、防洪标准低、堤基严重渗漏、岸坡冲刷、人类活动及生物破坏严重、穿堤建筑物年久失修且严重老化、堤防长期持续沉降等隐患。
本文结合长江中下游堤防堤基的特点，制作了渗流槽来模拟二元结构堤基的渗流特点，进行了系统的室内试验，讨论了悬挂式防渗墙在阻滞二元结构堤基土发生渗透破坏中的作用。
试验用土取自长江堤防南京段长江南岸，上层为粉质粘土，下层为粉土。试验用土与现场土是一样的，这样试验过程和堤基发生渗透破坏的水力要素是一致的。对粉土和粉质粘土进行了以下试验：比重、颗粒分析、液塑限、渗透系数。试验结果表明，粉土缺乏中间粒径，颗粒级配不良，易于发生渗透变形。粉土的渗透系数与粉质粘土的渗透系数相差20倍，在汛期高水位作用下，在粉质粘土层的底部容易形成较大的水头压力，从而导致险情的发生，因此有必要采取有效措施来阻滞险情的发生与发展。
根据长江堤防堤基土的特点，制作了渗流槽模型，渗流槽用有机玻璃制成，其尺寸为：长2米，高1米，宽10厘米。将粉土和粉质粘土装入模型槽，模拟二元结构堤基土发生渗透变形的特点以及研究悬挂式防渗墙在阻滞堤基土发生渗透变形中的作用。模拟试验通过改变粉质粘土组成的悬挂式防渗墙的入土深度来模拟实际渗出比降情况。由于土的级配、干密度等与现场土的相同，临界水力梯度和抗渗效果等与现场一致。
室内试验过程中，分别进行了没有悬挂式防渗墙，不同防渗墙深度时堤基土的渗流变形特性试验。对于上部为粉质粘土，下部为粉土的二元结构堤基，发生渗透变形时首先在粉土层的薄弱部位发生涌砂，接着在粉质粘土层与粉土层的结合层面发生接触冲刷，在水位持续升高，超过了临界水位后，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，以及孔隙水压力的变化。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。
Seepage failure is one of the high frequent disasters for dike engineering during flood season. At present, a number of ripe vertical cut off techniques have been widely used in levee project, and many rich experiences have been accumulated in the treatment of diseased levee project. The vertical seepage controlling technique has been widely used in levee project, and it is the main reinforcing methods for seepage preventing. The seepage controlling wall is one of the techniques of vertical seepage controlling method, and it can be divided into three types: closed seepage controlling wall, semi-closed seepage controlling wall and suspended seepage controlling wall.
The research of seepage preventing indicates that the foundation of the middle and lower reaches of Yangtze Rive is mostly composed of dual subsoil layers which is often soft clay and lacks reliable methods to prevent seepage. The middle and lower reaches of Yangtze Rive has been widen and reinforced, but there are still some hidden troubles, for example, disorder embankment soil, small degree of compaction, lower construction quality, lower criterion of controlling flood, serious leakage of dike foundation, sever eroding of embankment slope, badly destroyed by the human being, demolishing and aging of the buildings that across the embankment, long-time and continuous settlement and so on.
On the basis of the characteristics of the middle and lower reaches of Yangtze Rive, a seepage sandbox has been made to simulate the specialty of the dual subsoil layers. The tests have been done indoors and the functions of suspended seepage controlling wall in preventing seepage failure have been discussed. The following are the main contents.
The soil that is used in the test is from the south bank of NanKing dike of Yangtze Rive. The upper layer is composed of silt clay and the under layer is composed of silt. The soil is same to that of the local spot, so the hydraulic factors of seepage failure is also the same. The tests of the two kinds of soil have been carried out which are specific gravity, coefficient of permeability, particle size analysis, liquid limit and plastic limit. The results indicate that the silt lacks middle particles and the particle size is symmetrical which can easily leads to seepage deformation. The hydraulic conductibility of silt is 20 times that of the silt clay. Under the function of high water level during flood season, great hydraulic pressure can be easily produced under the bottom of the silt clay layer which can cause some disasters to happen. So, some effective measures must be taken to prevent dangers.
Based on the foundation characteristics of Yangtze Rive embankment, a seepage sandbox has been manufactured which is made of plexiglass. It is 2 meters long, 1 meter high, and 10 centimeters wide. Silt clay and silt are put into the sandbox. It can be used to analyze the characteristics of seepage failure and the function of suspended seepage controlling wall which is used to prevent seepage failure. The actual hydraulic gradient is simulated by changing the deepness of the suspended seepage controlling wall which is composed of silt clay. The mechanical composition and dry density of the soil are same to that of the local spot, so the critical hydraulic gradient and the effect of preventing seepage are consistent with that of local spot.
During the time of the tests indoors, the tests which have different depths of suspended seepage controlling wall have been done. For the dual subsoil foundation which are composed of silt clay upside and silt subside, sand spring occurs at the feeble spots, then contact erosion occurs at the face that silt clay and silt integrate. 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 seepage controlling wall, the qualification of seepage failure 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 of the research are that the suspended seepage controlling wall can effectively block the seepage failure, at the same time, it is constructed easily and acceptable in economy, so it is worth applying in project.
引文
[1] 白永年等著．中国堤坝防渗加固新技术[M]．北京：中国水利水电出版社，2001
[2] 李思慎．长江重要堤防隐蔽工程建设中的防渗处理[J]．长江科学院院报2000，12：4～8
[3] 张宝森，郭全明．黄河河道整治工程险情分析[J]．地质灾害与环境保护，2002，3：34～35
[4] 郭全明，张宝森，仵海英．黄河堤防险情调查分析[J]．地质灾害与环境保护，2003，9：46～47
[5] 包承刚，吴昌瑜，丁金华．中国堤防建设技术综述[J]．人民长江，1999，30(10)：15～16
[6] 董哲仁．堤防除险加固实用技术[M]．北京：中国水利水电出版社 1998年
[7] 李思慎，赵坤云．长江中下游地区堤防现状调研报告[J]．堤防渗流与防冲[M]，中国水利水电出版社，2003，9，69～70
[8] 刘杰．土的渗透稳定与渗流控制[M]．北京：水利电力出版社，1992
[9] 毛昶熙，段祥宝，毛佩郁．江河大堤防洪现状与渗流防冲调研报告[J]．人民黄河，1998，4、5、6
[10] 李思慎，赵坤云．长江中下游地区堤防现状调研报告．堤防渗流与防冲[M]，2003，9：57～58
[11] 张家发，王满星，丁金华．典型条件下堤身堤基渗流规律分析[J]．长江科学院院报，2000，17(5)：23—27
[12] 杨光煦著．堤坝及其施工关键技术研究与实践[M]．北京：中国水利水电出版社．2000，12：2～3
[13] 刘川顺，彭幼平，李莫．长江堤防地基类型与防渗方案[J]．水文地质工程地质，2001，6：20～22
[14] 马建华．适用于长江中下游干流堤防堤基垂直防渗的新技术[J]．水利水电技术，2001，3：58～60
[15] 杨光煦．长江江堤渗流特点及渗流控制设计[J]．湖北水力发电，2001，1：16～19
[16] 中华人民共和国水利部国际合作与科技司编．堤防工程技术标准汇编[M]．北京：中国水利水电出版社，1999
[17] 熊铁．长江重要堤防隐蔽工程建设综述[J]．人民长江，2002，33(8)：1～3
[18] 董哲仁．堤防工程的技术开发与推广[J]．中国水利，2000，(1)
[19] 张家发，李思慎，王文新．长江重要堤防垂直防渗工程[J]．长江护岸及堤防防渗工程论文选集[M]，中国水利水电出版社 2003
[20] 钱玉林．堤防振动沉模防渗墙材料与受力变形特性研究[D]．博士学位论文，河海大学，2005，6：3～4
[21] Petros. P. Xanthakos. Slurry Walls as Structure Systems[M].Second Edition. New York. 1994
[22] 日本土质工学会编．连续地下壁工法．1988
[23] 许溶烈．中国深基础工程技术的发展与成就[M]．1992，10
[24] 丛蔼森编著．地下连续墙的设计施工与应用[M]．北京：中国水利水电出版社，2001
[25] 周和清，欧阳崇云．葛洲坝基础灌浆和排水设计关键问题及评价[J]．人民长江．2002，2：12～13
[26] 李存喜，李焰．三峡一期土石围堰防渗工程施工[J]．中国三峡建设，1998，3：10～11
[27] 黄家权。三峡二期围堰防渗工程主要施工技术[J]。人民长江，1999，5：1～3
[28] 夏细禾、刘白兴、熊进等．长江堤防防渗工程施工研究及其应用[M]．北京：中国水利水电出版社，2004，8：75～76
[29] 刘心岩．堤防渗流状态及防渗墙结构型式分析[J]．人民黄河，2004，7
[30] 张家发，吴昌瑜，李胜常等．堤防加固工程中防渗墙的防渗效果及应用条件研究[J]．长江科学院院报，2001，18(5)：56～60
[31] 毛昶熙，段祥宝，蔡金傍等．悬挂式防渗墙控制管涌发展的试验研究[J]．水利学报，2005，36(1)：42～50
[32] 毛昶熙，段祥宝，毛佩郁．堤基悬挂式截墙的防渗作用[A]．长江护岸及防渗工程论文选集[C]．2003，11：313～317
[33] 张家发，吴昌瑜，朱国胜．堤基渗透变形扩展过程及悬挂式防渗墙控制作用的试验模拟[J]．水利学报，2002，9：108～111
[34] 张家发，孙厚才，杨金忠．堤防加固工程中与防渗墙有关问题的研究[J]．长江科学院院报，2001
[35] 吴昌瑜，张家发，周小文．堤防破坏机理和安全评价方法初步研究[A]．长江护岸工程(第六届)及堤防防渗工程技术经验交流会论文汇编[C]。2001：286～292
[36] 李思慎．长江重要堤防隐蔽工程建设中的防渗处理[J]．长江科学院院报，2000(增刊)12：4～8
[37] 李宁新．双层堤基承压水“渗而不流”模式初探[J]．人民珠江，2002，2：11～17
[38] 丁留谦．堤防除险加固技术进展(上)[J]．中国水利，2000，2：26～27
[39] 陆付民，李建林．堤防防渗加固方法研究[J]．人民黄河，2004，9：7～8
[40] 朱伯芳．推荐一种堤防[J]．中国水利，1999，1：25～26
[41] 包承纲，吴昌瑜，丁金华．中国堤防建设技术综述[J]．人民长江，1999，30(10)：15～16
[42] 杨晓东，丁留谦．堤防地基防渗技术[J]．防渗技术，1999，5(3)：1～5
[43] 王玮，钱会．黑河水库单薄山梁灌浆帷幕效果影响因素分析[J]．人民黄河，2005，27(9)：60～62
[44] 刘川顺．冲击地基堤防垂直方案研究[J]．岩石力学与工程学报，2002(3)
[45] 朱建强，欧光华，言鸽．长江中下游堤防渗流侵蚀机理及其治理[J]．水土保持学报，2001，15(5)：6～9
[46] Tedd, P. and Jefferis,S.A. "The use of slurry trench cut-off walls to repair embankment dams in the UK. Proc. 11th Conf." British Dam Society, Bath 2000:425-438
[47] 刘敦高，张家发，朱国胜．悬挂式防渗墙控制渗透变形扩展过程研究[A]．长江护岸及防渗工程论文选集[C]，2003，11
[48] 张家发，朱国胜，曹敦侣．堤基渗透变形扩展过程和悬挂式防渗墙控制作用的数值模拟研究[J]．长江科学院院报，2004，21(6)：47～49
[49] ICOLD. "Filling materials for watertight cut off walls." ICOLD Bulletin 1985 No,51.
[50] A. J. BROWN and D. A. BRUGGEMANN. " Arminou Dam, Cyprus, and construction joints in diaphragm cut-off walls." Geotechnique. February 2002:12-13
[51] Maxwell C. Eruin, and Nell D. Benson. "Melbourne's South bank Interchange: a permanent excavation in compressible clay." Canadian Geotechnical Journal. October 2004:866-877
[52] 毛昶熙，段祥宝，蔡金傍等．堤基渗流管涌发展的理论分析[J]．水利学报，2004，12：46～50
[53] 郑水清，陈荣波．悬挂式防渗帷幕的电模拟试验[J]．广东土木与建筑，2004，6：11～13
[54] 杨秀竹，陈福全，雷金山等．悬挂式帷幕防渗作用的有限元模拟[J]．岩土力学，2005，26(1)：107～107
[55] 殷建华．土堤管涌区渗流的有限元模拟[J]．岩石力学与工程学报，1998，17(6)。679～686
[56] 谢红，张家发，吴昌瑜等．水布垭水利枢纽三维渗流场有限元分析[J]．长江科学院院报，1999，16(1)：37～41
[57] Peter, P. "Piping problem in the Danube Valley in Czechoslovakia." [J] Proc,4th Danube European Conf. SMFE, International Society for Soil Mechanics and Foundation Engineering, London,35-40.1974.
[58] 朱伟，山村和也．堤防地基渗透破坏机制及其治理[J]．南京水利科学研究院，水利水运科学研究，1999，(4)：338～347
[59] 陈东平，冯德平．整治管涌的计算方法[J]．广西水利水电，2001，(2)：80～88
[60] 李守德，张晓海，刘志祥．基坑开挖工程管涌发生过程的模拟[J]．工程勘察，2003，(2)：14～21
[61] 唐益群，施伟华，张先林．关于流土和管涌的试验研究和理论分析[J]．上海地质，2003，1：25～31
[62] 张我华，余功栓，蔡袁强．堤与坝管涌发生的机理及人工智能预测与评定[J]．浙江大学学报(工学版)，2004，38(7)：902～908
[63] 曹敦侣，邹大元，常耀胜．水工建筑物渗流管涌的Monte-Carlo模型[J]．人民长江，1997，28(6)：11～13
[64] 陈建生，李兴文，赵维炳．典型地基渗漏的完整井管涌模型及其涌砂影响范围的估算[J]．工程勘察，2002．4：32～35
[65] Ojha, C.S.P., Singh.V.P. And Adrian, D.D. "Influence of porosity on piping models of levee failure".[J] Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. Vol. 127.no 12. pp 1071-1076.Dec.2001
[66] 刘忠玉，乐金朝，苗天德．无粘性士中管涌的毛管模型及其应用[J]．岩石力学与工程学报，2004，11
[67] 刘建刚，陈建生，赵维炳．典型地基渗漏的完整井管涌模型及其涌砂影响范围的估算[J]．工程勘察，2002，4：26～27
[68] 滕凯，康百赢．关于堤坝管涌计算的进一步研究[J]．岩土工程技术，2003，1：11～15
[69] 王有祥，李晓娟．关于堤坝管涌计算方法的进一步研究[J]．黑龙江水利科技，2005，1：14～16
[70] 刘杰．土的渗透稳定与渗流控制[M]．北京：水力电力出版社，1992
[71] 沙金煊．多孔介质中的管涌研究[J]．水利水运科学研究，1981，3：89～93
[72] Van Zyl. D., and Harr, M. E. "Seepage erosion analyses of structures". [J]. Proc., 10th Int. Conf. On Soil Mesh. And fomad. Engrg., Stockholm, Sweden, Vol.1,530～539
[73] Terzaghi, K, "Der Grundbruch an Stauwerken und seine Verhuetung" [J]. Die Wasserkraft,Vol. 17:445～449
[74] Bant, Z. "Measuring soil deformation caused by the pressure of the seepage". [J]. 17th Int. Navig. Congr, Lisbon, Sect. (1): 195～198
[75] Schmiderbauer, J., "Die Schwimmsanderscheimungen beim senkrecht auf steigenden Grmadwasserstrom." [J]. Diss. Tech. Hochsch. Hannover
[76] Nakajima, Y., "Study of the Failure of Piping in Polder Dikes for Land Reclamation."[J]. Soils and Foundations, Vol. 8(4): 30～47
[77] Kezdi, A. "Process of Hydraulic Soil Failure."[J]. Acta Technica Acad. Sci. Hungary, Vol. 82 (3)245～254
[78] Kaelin, M. "Hydraulic piping-theoretical and experiment findings." [J]. Canadian Geotechnical Journal, Vol. 14(1): 107～124
[79] Van Zyl, Dirk, "Seepage Erosion of Geotechnical Structures Subjected to Confined Flow -A Probabilistic Design Approach." [J]. Ph.D. Thesis, Purdue University, Aug
[80] Skempton, A. W., and Brogan, J. M., "Experiments on piping in sandy gravels ." [J].Geotechniqre,44(3).
[81] Terzaghi, K. "Theoretical Soil Mechanics." [J]. John Wiley& SONS, Inc., New York
[82] Marsland, A. "Model Experiments to Study the Influence of Seepage on the Stability of a Sheeted Excavation in Sand." [J]. Geotechniue, 3 (2):233～240
[83] Ehss, H. "Grundlagen zum hydraulischen Grundbruch bei Stauhaltungen im durchlaessigen Erdreich." [J]. Der Bauingenieur, Vol. 35(11) 423～431
[84] Sentko, M. "Der Zeitliche Ablouf des Schwimmsand aufbruches und der Einfluss der geometrischen Anordungder Baugrubenumschliess ungen auf das kritische Gefelle." [J]. Ph.D. Thesis, Veroffentlichungen Institufuer Bodenmechanik, Technische Hochschule, Karsruhe, No. 7
[85] Bligh.W.G. (1910) "Dams, barrages and weirs on porous foundations."[J], Eng. News, 64(Dec.) 708～710
[86] Lane. E. W. (1935). "Security from undersecpage: Masonary dams on earth foundations."[J] Trans. Am. Soc. Civ. Eng. 100, Paper No. 1919.1235～1272.
[87] Turnbull, W. J., and Mansur, C. I. "Investigation of underseepage - Mississipoi River levees." [J]Trans. Am.Soc.Civ.Eng. 126(1), 1429～1432
[88] Turnbull, W. J. and Mansur, C. I. "Design of undersecpage control measures for dams and levees." [J]Trans. Am. Soc. Civ.Eng. 126(1), 1486～1490
[89] 林志．关于管涌的试验研究和理论分析[D]．上海：同济大学硕士学位论文，2001
[90] Ojha, C.S.P., Singh.V.P. And Adrian, D.D. "Determiantion of Critical Head in Soil Piping" [J] Journal of Hydraulic Engineering. 2003, 7:511～518
[91] 沙金煊．堤坝下游减压井的渗流近似计算[J]．南京水利科学研究院，水利水运科学研究，1991，(1)：85～89
[92] 刘忠玉．无粘性土中管涌的机理研究[D]．兰州：兰州大学博士学位论文，2001
[93] 周红星，曹洪，林洁梅．管涌破坏机理模型试验覆盖层模拟方法的影响研究[J]．广东水利水电，2005，2：6～8