大型输水渠道渗透破坏问题分析

2020-01-02

人民长江 2019年12期

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010)

水资源可利用量的短缺和区域上的分布不匀性已成为制约人类社会发展的重要问题。大型调水、输水工程是重新分配水资源，缓和以至解决地区性缺水的重要工程措施。输水渠道作为调水输水工程的主要建筑物形式，具有线路长、渠基沿线工程地质条件复杂、渠道断面形式及断面构造复杂、沿线交叉建筑物多、渠道运行条件复杂等特点。在这些复杂的条件下，输水渠道运行期间会出现各种类型的破坏险情，其中渗透破坏是最常见的一种事故类型。大型输水渠道的渗透破坏险情比较隐蔽，如未能及时发现并采取有效措施，可能在渠堤或渠基内形成渗透通道，从而导致渠堤或渠基失稳。因此，输水渠道的渠堤及渠基的渗透破坏必须引起足够的重视。

随着堤坝技术的发展，针对土体渗透变形的类型、机理和渗透变形发生的临界条件积累了大量研究成果[1-3]及实践经验[4-5]。目前普遍将渗透变形分为管涌、流土、接触冲刷、接触流土4种类型[1]。前苏联的伊斯托明娜采用不均匀系数来判断变形的类型，巴特拉雪夫等则采用土体孔隙直径和填料粒径作为判别指标[3]，而南京水利科学研究院等采用土体的细粒含量来判别变形的类型[2,6]。针对渗透变形机理方面的研究，主要是物理实验研究及分析，黄德文等[7]通过室内砂槽模型试验研究了均质无黏性土的流土发生机制；梁越等[8]通过自研渗透仪，以散粒土为试验材料，研究了渗透破坏与细颗粒含量、细颗粒组成以及干密度等因素的关系；刘杰[9]研究了无黏性成层土接触冲刷的临界水力比降；杨建等[10]通过渗透变形试验研究了应力状态对接触流土临界坡降的影响。随着数值实验和细观分析手段的成熟，学术界逐渐引入数值实验和细观分析方法来研究渗透破坏机理[11-12]。关于渗透变形发生的临界条件，一类研究通过力学极限平衡方法来推导临界条件[6,13]；另一种方法则通过大量试验进行分析，建立临界坡降与相关因素，如渗透系数、细粒含量等之间的半经验的理论公式[9]。

在相关渗透破坏研究成果的基础上，结合目前大型输水渠道的工程特点，系统地从渗透破坏表现形式、易发部位、发生发展规律、成因诱因等方面对输水渠道的渗透破坏问题进行分析和总结，为认识和应对输水渠道的渗透破坏问题提供基本资料。

1 输水渠道渗透破坏模式

根据大型输水渠道运行现状调研成果，为能够现场更加直观地从渗透破坏险情的特征及表象上识别险情，将大型渠道的主要渗透破坏现象归结为管涌型、流土型、集中渗漏型、散浸型、顶托型5种主要模式。不同渗透破坏模式的成因、易发部位、对工程危害都有较大不同。

1.1 管涌型破坏

土体中细颗粒在渗流作用下，沿土体骨架形成的孔隙通道流失的现象称为管涌。管涌破坏主要发生在砂砾石等无黏性土层中。土层发生管涌的内因是填充在粗颗粒孔隙中的细粒土受约束小，能够随水流在孔隙中移动，形成管状水流通道。

大型输水渠道的管涌分为内部管涌和外部管涌。对于内部管涌，若渗流出逸区设有排水反滤体或有深厚的黏性土，则能有效阻止细粒土被渗流带出其地基或填筑体外，细粒土逐渐淤塞渗流通道，管涌将消失。严重的内部管涌可能导致建筑物或填筑体发生局部沉降变形。而外部管涌，细颗粒被水流不断带出土体外，水流管道逐渐向内部延伸，带出的颗粒数量、粒径不断增加，最终可能导致工程垮塌。

结合大型输水渠道调研情况，易发生管涌的部位主要存在于渠道及建筑物地基中存在出露的砂砾石地层；采用砂砾石及无黏性土填筑的渠堤；挖方渠段砂砾石地层出露、上部为黏性土层下部为砂砾石层的双层或多层地基；渠道及建筑物外侧导流沟或较低的坑塘揭穿了砂砾石层等部位。

当大型输水渠道防渗排水及反滤体系正常的情况下，发生管涌的可能性较小。一般引发管涌的诱因是外部及内部环境造成防渗体系、反滤体系或是管涌土外层黏土等保护层发生破坏。

1.2 流土型破坏

在渗透水流作用下，填筑体、土坡表面土体或颗粒群体在出逸区表面被渗流水冲动流失的现象称为流土破坏。当渗流方向向上时，黏性土流土表现为局部土体表面出现隆起、裂缝，甚至整块土体被渗流抬起；而砂层地表将出现小泉眼，冒气泡，继而发生浮动、跳跃现象。

流土破坏一般从渗流出逸区开始逐层剥离，随着流土破坏的发生，介质表层土体的密实度逐渐下降，导致边坡软化或失稳。

大型输水渠道流土的易发部位一般有：① 渠道及建筑物地基中存在出露的细砂、粉细砂、粉土地层；② 采用建筑物外侧粉质土、粉细砂填筑的填筑体，当防渗系统失效时，在渗流出逸区；③ 对于双层、多层地基，上部黏性土层厚度较小，下部为砂砾石层的；④ 渠道开挖或坑塘等揭穿了上有黏性覆盖的细粒非黏性土层时等。

输水渠道渠堤及地基诱发流土破坏的因素与诱发管涌的外部因素基本相同。

1.3 集中渗漏型破坏

集中渗漏是指水流沿孔洞、界面空隙与裂缝空隙渗漏流动的现象。集中渗漏多发生于填筑体、结合部位的初始渗流通道或局部渗漏通道。孔洞、界面空隙与裂缝空隙在接触冲刷的初期，漏水量少而清；随着接触冲刷的发展，携带出的土粒越来越多，渗出水量明显增加；随着渗流通道逐渐贯通，水流对其边界的冲刷能力逐渐加强，渗漏出口出现时清时浑、水量时大时小的情况，空腔壁面土体发生冲刷、塌落、沉积，直至被冲走。

一旦集中渗漏通道出水，特别是出浑水时，险情将迅速发展，危及渠堤安全。若渗漏出口处排水反滤措施不足，则集中渗漏极易直接与渠道水联通，渗漏发展速度快。

大型渠道集中渗漏主要发生在填筑体与建筑物结合部、建筑物底板与地基结合部、填筑体自身内部裂缝或孔洞等。根据输水渠道工程特点，引发集中渗漏的诱因主要有：不均匀沉降、变形等外因导致的建筑物结合面脱开，相邻填筑土层渗透性差异大、土岩结合面呈非整合结合状态或结合部填土不密实导致接触面集中渗漏，以及其他原因导致的贯穿通道等。

集中渗漏危害与管涌型破坏的危害类似，但其发展速度更快，这类险情需要及时响应。

1.4 散浸型破坏

在汛期或持续高水位情况下，渗水异常从背水侧堤坡较高位置出逸，造成大面积坡面出水的现象称为散浸。渠堤外坡面的散浸危害主要是导致坡脚软化，降低渠道外坡的边坡稳定，导致边坡局部失稳。散浸现象的发生，说明渠堤堤身内部浸润线抬高，会降低局部区域坡体土的抗剪强度，降低渠堤边坡稳定安全系数。

输水渠道散浸型破坏的易发部位有：① 填方渠堤坡面高于渠堤坡脚设置的坡面排水反滤体高度的区域；② 高地下水位挖方渠段内边坡一级马道以上渗流出逸点以下的坡面；③ 挖方渠段地层中的砂砾石强透水地层在大气降水或地下水位短期上升期间，强透水层下方渠道坡面等。

散浸情况发生的诱因主要有：填方渠道外坡脚的贴坡排水体排水不畅、堤身存在水平渗透弱面、堤身填筑材料渗透特性的非均匀性、外因导致的边坡地下水位上升等。

1.5 顶托型破坏

对于渠堤、渠堤外坡脚地面、挖方渠道边坡浸润线以下土层，当渗流出水口土层的渗透系数小于内部土层时，出口处的透水体将承受较大的渗流水头，以至于使其发生隆起、开裂、浮起、滑动失稳破坏的现象，可归结为顶托型破坏。对于大型输水渠道，顶托型破坏主要体现在混凝土衬砌的隆起、开裂等变形，是比较常见的破坏模式。

顶托破坏现象的发生主要是由于某一土层或结构体承担的地下水顶托力过高而发生失稳破坏。结合输水渠道特点，其易发部位有：① 填方渠道外坡脚的贴坡排水采用现浇混凝土面板进行保护的，且排水层失效；② 填方渠道渠堤建基面河床地基中存在埋置深度较浅的强透水地层，表层覆盖弱透水层，因地下水升高等原因导致弱透水层底板承担的水压力升高；③ 渠道衬砌、防渗体下方排水不畅，而渠道水位大幅度快速下降；④ 排水体出口处排水反滤体排水功能失效或排水功能大幅度下降，排水反滤体承担过大的水头等。

2 渗透破坏形式判别及临界坡降

渠道渗透变形与地质条件、土的级配、水力条件、防渗排水措施等因素有关。输水渠道以上5种主要破坏模式，从破坏机理上属于土体管涌、流土、接触冲刷3种渗透破坏形式，其中管涌型及流土型机理上分别对应管涌和流土两种破坏形式，集中渗漏型引发的渗透破坏实质是接触冲刷，顶托型破坏机理上是流土，而散浸型主要是浸润线异常抬高造成的。

要正确分析大型渠道渗透变形情况，必须先确定渗透变形的形式，其中接触冲刷比较容易识别，主要是区分最常见的流土和管涌。判别流土和管涌的方法比较多，如不均匀系数判断法、孔隙直径与填料粒径之比判别法、土体的细粒含量判别法[2-4]。

随着试验研究的不断深人，人们越来越认识到细粒含量是影响土体渗透性能和渗透变形的主要因素，因此推荐采用下式：

(1)

(2)

工程中一般通过判断渗透坡降是否超过临界渗透坡降来判断是否发生渗透破坏。对于流土的临界坡降，Terzaghi[14]基于土体中垂向力的平衡分析，提出了渗流临界坡降Jc计算公式：

Jc=(Gs-1)(1-n)

(3)

式中,Gs为土粒比重；n为孔隙率。但是上式求得的Jc值偏小，一些学者在Terzaghi公式的基础上进行了修正，考虑了土体摩擦力及颗粒形状的影响，推荐采用下式:

Jc=α(Gs-1)(1-n)

(4)

式中,α为土粒颗粒的形状参数，表示不规则颗粒与等体积球形颗粒两者表面积之比值，对于各种砂砾(如粗砂、中砂、细砂、粉砂等)，根据相关试验资料，α=1.16～1.17；对于有锐角的不规则颗粒α=1.5，对于各种颗粒混合的砂砾料可近似地取α=1.33。

管涌的临界坡降计算方法尚未统一，目前研究的方法主要有两种：一种是根据试验资料绘制临界坡降与相关因素之间的经验关系；另一种是从理论上根据单个颗粒在土体中的受力情况，推导出发生管涌的临界坡降。

管涌的临界坡降可按下式简单计算[3]：

(5)

(6)

式中，dz为土的粗细颗粒分界粒径，mm,Pz为小于dz的土粒百分数含量，%；n为土的孔隙率；d5，d15，d85为土颗粒级配曲线上小于该粒径的含量占总重量为5%、15%、85%的颗粒粒径。

以上计算考虑的是渗流自上而下时的临界渗透坡降，当渗流方向不同时，平衡条件也不同，临界渗透坡降也是不同的。对于渠堤的自由出渗边界，土体的稳定性受沿坡面下滑控制。土体间的摩擦力为φ及凝聚力为C，α为坡面出渗的流线倾角，β为边坡倾角，如图1所示，根据沿坡面的力平衡有临界渗透坡降[3]：

(7)

式中,γ′为土体浮容重，因出渗点流线基本沿坡面方向，有β=α，此时最易破坏，有

(8)

图1 渠堤的出渗边界示意Fig.1 The infiltration boundary of embankment

3 典型渠段渗透破坏分析

南水北调中线总干渠明渠段均采用梯形断面，横断面型式分为全挖方断面、全填方断面、半挖半填断面3种类型。本文选取最具代表性的梯形全填方断面，结合干渠黄河北-漳河南总干渠实际地质进行概化。概化模型的渠堤填筑高度10 m，背水侧高程4.0 m处设一级马道，马道宽度2.0 m，上下游侧边坡坡比均为1∶2.0。计算采用Geostudio 2004岩土分析软件，二维计算断面及网格如图2所示，共划分四边形单元10 154个，节点数10 220。

筑堤填料为粉质壤土，黏粒含量渗透系数为5×10-5cm/s，地基为均匀弱透水地层，地基渗透系数为1×10-4cm/s，全断面采用混凝土衬砌防渗，混凝土衬砌厚度8 cm，渗透系数取1×10-7cm/s，垫层厚度15 cm，渗透系数取1×10-2cm/s。渠道设计水深8 m，渠道过水断面取等水头为入渗边界，渠道外侧取自由出渗边界。

填料黏粒含量24.5%，塑性指数12.3，有机质含量0.28%，渗透系数5×10-5cm/s，土颗粒比重2.70～2.71，天然孔隙比0.665～0.680，天然含水量21.8%～21.9%，天然密度1.52～1.64 g/cm3，凝聚力12～18 kPa，摩擦角20°～30°。

分析衬砌防渗及失效两种稳定渗流工况，渗流计算等水头线见图3～4，渗流成果见表1。从渗流结果可以看出，衬砌防渗条件下，衬砌结构大大降低了堤身承担的水头，堤身浸润线也大大降低，下游面的溢出点高程也能显著降低。南水北调中线干渠投入运行后，由于施工缝、结构缝以及渠道变形等因素，经常出现衬砌防渗失效的情况，衬砌防渗失效后，水头主要由堤身承担，浸润线会抬高，边坡的溢出比降也将增大，堤身渗漏量将显著增加。

图2 计算模型及网格Fig.2 Calculation model and FEM meshing

粉质壤土属于黏性土，根据以上分析其渗透破坏形式为流土。根据填料的基本参数，水的容重γ=9.8 kN/m3，φ=25°,C=12 kPa,Gs=2.70,e=0.68，浮容重γ′=(Gs-1)γ/(1+e)=9.9 kN/m3。由渗流分析成果可知两种工况下渗流都从下游堤身出溢，根据以上分析，出渗点的临界渗透坡降可根据式(8)计算，Jc=1.19。

表1 渗流分析计算成果Tab.1 Results of seepage calculation

图3 衬砌防渗工况总水头等值线(单位：m)Fig.3 Total head contours when concrete slab liner working

图4 衬砌失效工况总水头等值线(单位：m)Fig.4 Total head contours when concrete slab liner failed

工程应用中一般以土的临界水力比降除以1.5～2.0的安全系数K得到土的允许渗透比降，取K=2，即[J]=Jc/K=1.19/2=0.595。可见两种工况下计算比降小于允许比降，采用粉质壤土填筑，渠堤在溢出点的渗透稳定满足要求。

计算渠基介质的临界水力比降，根据渗流场的特点，渠堤下部渠基渗流流线基本从上游水平指向下游，则β=α=0，Jc=(γ′tanφ+C)/γ。而下游侧堤脚附近，渗流场流线方向逐渐变为竖直向上，此时可采用式(4)分析。可见，要分析渠堤渠基渗透破坏状态，需要综合考虑渗流部位、渗流方向、渗透介质、渗流场分布等因素。