懸掛式防滲墻控制堤基滲透變形的機(jī)理與工程應(yīng)用

前言

第一章 懸掛式防滲墻的選擇背景及研究現(xiàn)狀

1.1 我國(guó)堤防基本情況和存在的問(wèn)題

1.2 堤基滲透破壞的成因、分類及堤基的滲流控制

1.2.1 堤基滲透破壞的成因和分類

1.2.2 堤基的滲流控制

1.3 長(zhǎng)江中下游堤基工程地質(zhì)條件

1.4 堤基防滲墻的類型及適用條件

1.5 懸掛式防滲墻的研究現(xiàn)狀

參考文獻(xiàn)

第二章 無(wú)防滲墻的二元結(jié)構(gòu)堤基滲透變形試驗(yàn)研究

2.1 透水層為低液限粉土的滲透變形試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)用土

2.1.2 試驗(yàn)裝置

2.1.3 試驗(yàn)步驟

2.1.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2 透水層為細(xì)砂土的滲透變形試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)用土

2.2.2 試驗(yàn)裝置

2.2.3 試驗(yàn)步驟

2.2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第三章 懸掛式防滲墻貫入度對(duì)控滲作用影響試驗(yàn)研究

3.1 透水層為低液限粉土的試驗(yàn)研究

3.1.1 試驗(yàn)用土和試驗(yàn)裝置

3.1.2 試驗(yàn)步驟

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1.4 試驗(yàn)成果分析

3.1.5 透水層為低液限粉土的試驗(yàn)小結(jié)

3.2 透水層為細(xì)砂土的滲透變形試驗(yàn)研究

3.2.1 試驗(yàn)用土和試驗(yàn)裝置

3.2.2 試驗(yàn)布置及步驟

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.5 透水層為細(xì)砂土滲透試驗(yàn)小結(jié)

3.3 兩種不同土質(zhì)透水層試驗(yàn)結(jié)果比較

參考文獻(xiàn)

第四章 懸掛式防滲墻位置對(duì)滲透變形的影響研究

4.1 試驗(yàn)用土

4.2 試驗(yàn)裝置

4.3 試驗(yàn)布置及試驗(yàn)步驟

4.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.4.1 試驗(yàn)結(jié)果

4.4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.5 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第五章 滲流出水口位置對(duì)懸掛式防滲墻滲控影響的試驗(yàn)研究

5.1 試驗(yàn)用土

5.2 試驗(yàn)裝置

5.3 試驗(yàn)布置及試驗(yàn)步驟

5.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.4.1 模擬滲透變形位置距離上游加水位置40cm的試驗(yàn)研究

5.4.2 模擬滲透變形位置距離上游加水位置60cm的試驗(yàn)研究

5.5 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第六章 河床透水層暴露深度對(duì)懸掛式防滲墻滲控影響試驗(yàn)研究

6.1 試驗(yàn)用土

6.2 試驗(yàn)裝置

6.3 試驗(yàn)布置及試驗(yàn)步驟

6.4 無(wú)懸掛式防滲墻試驗(yàn)結(jié)果及分析

6.4.1 試驗(yàn)結(jié)果

6.4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

6.5 設(shè)置懸掛式防滲墻的試驗(yàn)結(jié)果及分析

6.5.1 試驗(yàn)結(jié)果

6.5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

6.6 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第七章 河床透水層暴露深度對(duì)懸掛式防滲墻滲控影響的數(shù)值模擬

7.1 概述

7.2 滲流的理論基礎(chǔ)

7.2.1 達(dá)西滲透定律

7.2.2 滲流的基本方程

7.3 滲流二維有限元數(shù)值方法

7.3.1 有限元法分析滲流問(wèn)題的步驟

7.3.2 二維滲流有限元模型建立和各參數(shù)選取

7.4 數(shù)值模擬試驗(yàn)研究

7.4.1 無(wú)防滲墻結(jié)果分析及滲流場(chǎng)變化特征

7.4.2 有防滲墻的結(jié)果分析及滲流場(chǎng)變化特征

7.5 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第八章 不同類型的懸掛式防滲墻抗?jié)B效果試驗(yàn)研究

8.1 試驗(yàn)用土

8.2 防滲墻材料

8.3 試驗(yàn)裝置

8.4 試驗(yàn)布置及試驗(yàn)步驟

8.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

8.5.1 無(wú)防滲墻的試驗(yàn)結(jié)果

8.5.2 防滲墻深度D=10cm的試驗(yàn)結(jié)果

8.5.3 防滲墻深度D=20cm的試驗(yàn)結(jié)果

8.5.4 防滲墻深度D=35cm的試驗(yàn)結(jié)果

8.6 不同深度防滲墻的試驗(yàn)結(jié)果分析

8.6.1 測(cè)壓管水位

8.6.2 滲流量

8.6.3 表觀臨界水力梯度與臨界水頭、極限水頭

8.6.4 防滲墻前后表觀水力梯度

8.6.5 防滲墻到滲透變形溢出口間水力梯度

8.7 不同防滲墻材料的試滲透驗(yàn)結(jié)果比較

8.8 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第九章 堤后壓重及其結(jié)合懸掛式防滲墻的防滲效果

9.1 堤后壓重防滲效果試驗(yàn)設(shè)計(jì)

9.2 堤后壓重作為單一防滲措施時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果及分析

9.2.1 試驗(yàn)結(jié)果匯總

9.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

9.3 堤后壓重結(jié)合懸掛式防滲墻的試驗(yàn)結(jié)果及分析

9.3.1 試驗(yàn)結(jié)果匯總

9.3.2 堤后壓滲蓋重在組合防滲中的防滲效果

9.3.3 懸掛式防滲墻在組合防滲中的防滲效果

9.4 懸掛式防滲墻和堤后壓滲蓋重防滲效果的比較

9.4.1 試驗(yàn)結(jié)果比較分析

9.4.2 懸掛式防滲墻深度和堤后壓滲蓋重寬度的確定

9.5 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第十章 南京段長(zhǎng)江堤防工程地質(zhì)條件

10.1 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)堤防穩(wěn)定的控制和影響

10.2 長(zhǎng)江下游河道演變及不良地質(zhì)現(xiàn)象的形成發(fā)展

10.3 堤基土沉積環(huán)境及特征

10.4 長(zhǎng)江兩岸的水文地質(zhì)條件

10.5 河勢(shì)演變及抗沖穩(wěn)定

10.6 堤基土層及物理力學(xué)指標(biāo)

10.7 堤防滲漏及滲穩(wěn)問(wèn)題

10.8 堤防隱患病患的原因及性質(zhì)

參考文獻(xiàn)

第十一章 堤防除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)施工及效果分析

11.1 垂直鋪塑懸掛式防滲墻

11.1.1 土工膜的選擇

11.1.2 施工工藝

11.1.3 主要施工操作方法

11.1.4 質(zhì)量控制

11.2 帷幕灌漿懸掛式防滲墻

11.2.1 施工準(zhǔn)備

11.2.2 循環(huán)鉆灌法

11.2.3 打入花管灌漿法

11.2.4 預(yù)埋袖閥花管灌漿法

11.3 質(zhì)量檢查與效果評(píng)價(jià)

11.4 長(zhǎng)江南京段堤防防滲處理實(shí)例

11.4.1 浦口林山圩堤防險(xiǎn)段防滲處理

11.4.2 棲霞區(qū)四段圩堤防險(xiǎn)段防滲處理

11.5 經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)

11.5.1 鋪塑施工中的問(wèn)題

11.5.2 灌漿施工中的問(wèn)題

11.6 質(zhì)量與效果檢驗(yàn)

參考文獻(xiàn) 2100433B

《懸掛式防滲墻控制堤基滲透變形的機(jī)理與工程應(yīng)用》針對(duì)長(zhǎng)江下游江堤絕大多數(shù)為上部是弱透水的粉質(zhì)黏土、下部為深度大的透水性砂土或粉土的雙層地基情況，系統(tǒng)研究了懸掛式防滲墻控制堤基滲透變形的機(jī)理和效果。《懸掛式防滲墻控制堤基滲透變形的機(jī)理與工程應(yīng)用》主要內(nèi)容包括雙層堤基在洪水期間發(fā)生滲透變形的危害、滲透變形與水位、滲流梯度等的關(guān)系，懸掛式防滲墻的類型、位置、深度以及河床切入透水性地層深度等對(duì)控制堤基發(fā)生滲透變形影響。研究成果表明，在深厚透水性堤基中設(shè)置懸掛式防滲墻對(duì)控制堤基滲透變形有良好的效果，特別是短的懸掛式防滲墻就能有效提高表觀臨界水力梯度，保證堤外水位在明顯增加條件下也不發(fā)生滲透變形?！稇覓焓椒罎B墻控制堤基滲透變形的機(jī)理與工程應(yīng)用》所介紹的研究成果已經(jīng)在長(zhǎng)江南京段控制堤基滲透變形工程中得到大量應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明懸掛式防滲墻可有效保證堤基的滲透穩(wěn)定性，且提出的懸掛式防滲墻類型、位置、深度以及河床切入透水性地層深度等與表觀臨界水力梯度的關(guān)系能夠指導(dǎo)類似工程的懸掛式防滲墻設(shè)計(jì)與施工。

《懸掛式防滲墻控制堤基滲透變形的機(jī)理與工程應(yīng)用》可供水利工程和巖土工程領(lǐng)域的科研工作者及設(shè)計(jì)施工技術(shù)人員參考，也可作為高等院校水利工程和巖土工程專業(yè)研究生的參考書(shū)。

滲透破壞與滲透變形不同，只要存在顆粒的運(yùn)動(dòng)就會(huì)發(fā)生滲透變形，而滲透破壞則是指堤基在滲流作用下失去承載力和穩(wěn)定性。對(duì)于任何水工建（構(gòu)）筑物地基而言，滲透變形的形式既可能是單一形式出現(xiàn)，也可能是多種形式伴隨出現(xiàn)。滲透變形的進(jìn)一步發(fā)展可能是大量顆粒涌出，堤基承載力降低，沉降加劇，堤防失穩(wěn)，但也有一些堤基，管涌發(fā)生了幾十年，而堤基并未破壞。同屬管涌型的土，滲透變形后的發(fā)展過(guò)程可能有所不同。有些學(xué)者提出了表征滲透破壞的) 大特征：①滲流量大幅度增加；②供水壓力維持不住，大幅度下降；③顆粒大量涌出，涌出物的尺寸也不斷加大；④測(cè)壓計(jì)讀數(shù)波動(dòng)。這些特征是形成貫通上下游通道的必然結(jié)果。

壩的地基在長(zhǎng)期滲流作用下，土體顆粒流失，導(dǎo)致地基變形甚至破壞的現(xiàn)象。水工建筑物地基的滲透變形，主要發(fā)生在砂礫石層和膠結(jié)不良的斷層破碎帶中。工程實(shí)踐表明，地基滲透變形可使巖土體孔隙增大，承載力降低,甚至出現(xiàn)管道空洞,導(dǎo)致地基失穩(wěn)，在閘、壩、堤防事故中占有很大比例。因此，研究壩基巖土體滲透變形及其防治措施，是關(guān)系到水利工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

滲透變形形式一般有管涌、流土、接觸沖刷，其中以管涌和流土最為常見(jiàn)。它們與巖土體結(jié)構(gòu)、顆粒級(jí)配和水力條件等因素有關(guān)。

管涌滲流將土體中細(xì)顆粒帶走的現(xiàn)象，又稱潛蝕。在砂礫石層中，特別在缺乏中間粒徑的砂礫石層中最易發(fā)生。在未膠結(jié)的斷層破碎帶中也可見(jiàn)到管涌。當(dāng)巖層的膠結(jié)物為易溶的巖鹽和石膏時(shí)，在滲流作用下，膠結(jié)物被溶解帶走，又稱化學(xué)管涌。根據(jù)管涌隨時(shí)間發(fā)展的不同情況，可分為發(fā)展性管涌和非發(fā)展性管涌。前者是指在一定滲透流速下，管涌隨時(shí)間連續(xù)發(fā)展，最終引起土體破壞；后者是指在某一滲透流速下，發(fā)生管涌，有細(xì)粒移動(dòng)和帶出，但其帶出量不大，也不隨時(shí)間而增加，經(jīng)一段時(shí)間后細(xì)顆粒甚至停止跳動(dòng)和帶出，滲透系數(shù)并不增大，土體仍不失去抗?jié)B強(qiáng)度。

流土滲流動(dòng)水壓力使土體表層顆粒呈現(xiàn)浮動(dòng)的現(xiàn)象。壩基往往由于排水失效，致使下游邊坡逸出部位的動(dòng)水壓力大于土體自重，而導(dǎo)致流土發(fā)生。流土一般多發(fā)生在表層為弱透水層，下部為強(qiáng)透水的砂礫石層組成的雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu)中。

接觸沖刷當(dāng)滲流沿著粗細(xì)兩種土層接觸面或建筑物與地基的接觸面流動(dòng)時(shí)，沿接觸面帶走細(xì)顆粒的現(xiàn)象，稱接觸沖刷。對(duì)多層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的土體，各層的滲透系數(shù)相差懸殊時(shí)，垂直層面滲流將滲透系數(shù)小的土層中的細(xì)粒帶到滲透系數(shù)大的土層中的現(xiàn)象，又稱接觸流失。

滲透變形形式判別砂礫石地基上的水工建筑物滲透變形的發(fā)生及其形式的判斷，在很大程度上取決于地基砂礫石的級(jí)配特征。20世紀(jì)50～60年代，砂礫石層滲透變形形式的判斷,多以不均勻系數(shù)Cu)=d/d（d、d為土粒粒徑,小于該粒徑的顆粒重量分別占總重量的60%和10%）為依據(jù),Cu)小于10的土滲透變形形式為流土;Cu)大于20的土為管涌土。60年代后,通過(guò)大量工程實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)級(jí)配不連續(xù)的土，盡管不均勻系數(shù)大于20，如果細(xì)粒含量大于35%,其滲透變形形式仍然是流土。因此,對(duì)于級(jí)配不連續(xù)的土，提出以細(xì)粒含量作為判別滲透變形形式的標(biāo)準(zhǔn)(表1)。區(qū)分粗細(xì)粒徑的方法是：對(duì)級(jí)配不連續(xù)的土，以顆粒組成曲線中缺乏的粒徑組或含量不足3%的粒徑組,為粗細(xì)料的區(qū)分粒徑；對(duì)級(jí)配連續(xù)的土，方法較多，一般為了簡(jiǎn)便，有的以1.0mm也有的以2.0mm作為區(qū)分粒徑。雙層地基的滲透變形形式主要為接觸沖刷。一般認(rèn)為相鄰兩層土體的d比值小于或等于10，且兩層土的不均勻系數(shù)均小于或等于10時(shí)，將不致產(chǎn)生接觸沖刷。反之，則應(yīng)考慮接觸沖刷問(wèn)題。凡兩層土體之間的滲透系數(shù)比值等于或小于10，或者兩層土體的d比值小于或等于3時(shí),可按單層土體結(jié)構(gòu)來(lái)考慮（d為土粒粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的20%）。

此外，當(dāng)滲透變形形式確定后,也可根據(jù)表2選取臨界比降與允許比降值。其中允許比降值的確定是采用了1～2的安全系數(shù)。鑒于流土破壞對(duì)建筑物的安全威脅最大，一般安全系數(shù)取大值，管涌一般取1.0～1.5。

對(duì)未膠結(jié)的斷層破碎帶、裂隙密集帶和軟弱夾層等，由于其顆粒組成變化較大，其滲透變形形式有管涌型也有流土型。抗?jié)B能力主要與帶內(nèi)粘土礦物成分、可溶物質(zhì)含量多少和細(xì)粒填充緊密程度有關(guān)。一般抗?jié)B能力較高，不易產(chǎn)生滲透破壞。但當(dāng)破碎帶或軟弱夾層兩側(cè)巖體裂隙發(fā)育，貫穿性好，或滲徑短，使?jié)B流比降大于夾層臨界比降時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生滲透破壞。2100433B