双层堤基管涌破坏过程中上覆层渗透破坏发生发展的 试验与分析

利用室内试验模拟了刚性盖板下双层堤基渗透破坏的过程,研究了堤基发生管涌破坏后对上覆黏土层的影响。通过肉眼观察,照相机辅助拍摄及试验过程中测压管水位,流量和出砂量等的变化,分析了管涌过程中刚性盖板下黏土层破坏的发生及发展过程。堤基发生管涌破坏后,砂层上部细颗粒逐渐流失,形成强渗流通道并逐步向上游发展。渗流通道与上层黏土之间形成脱空,黏土层发生轻微沉降变形,在水流作用下产生不均匀变形导致黏土层中裂纹的产生并在水力劈裂作用下裂纹逐渐变成裂缝并越来越大,水流通过裂缝在塌陷黏土与刚性盖板之间急速流动,产生冲刷,破坏范围随管涌的发生向上游发展。黏土层的破坏促进了管涌的发生,而管涌通道不断向上游发展也加速了黏土层的破坏,两种过程相互作用,相互影响。     

双层堤基管涌模型试验尺寸效应的数值模拟

借助双层堤基砂槽模型试验的成果,建立双层堤基管涌动态破坏过程的数学模型和模拟方法。采用数值仿真方法研究双层堤基管涌模型试验的模型尺寸效应的规律和机制,提出双层堤基管涌小尺寸的模型试验的修正方法。研究结果表明:(1)采用概化的数学模型可以很好地模拟堤基管涌模型试验结果的尺寸效应影响及管涌动态发展过程,计算结果和试验结果吻合较好,同时得到不同模型砂样内部的渗流场分布和一些难以观测到的数据。(2)模型尺寸对堤基管涌的临界水头、发展过程有较大影响,临界水头随模型宽度和深度的增加而减小,但减小的幅度逐渐减小。(3)通过理论和数值模拟分析,现有模型试验结果受模型尺寸影响较大,对现有模型进行改进,模型宽度增大为堤身长度(试验模型槽管涌口至上游临水面的距离为1.4 m)的1.7倍,模型深度增大为堤身长度的0.85倍。改进后管涌破坏区的影响半径约为堤身长度的0.85倍。     

多层堤基中土层结构变化对管涌影响的试验研究

不同土层结构的堤基,管涌的发生和发展情形不同。利用室内试验,通过改变下伏砂层内夹砂层的级配组成,对3种不同夹砂层的多层堤基进行了管涌破坏过程的模拟,研究了不同颗粒级配组成的夹砂层对管涌发生及发展过程和机理的影响。试验结果表明,多层堤基夹砂层均为细砂时,承受的水压力较大,临界水力梯度较高,一旦发生管涌破坏后其渗透流量、涌砂量以及破坏范围都比较大,所以此类堤基发生管涌破坏时具有一定的突然性和剧烈性,应及早采取防治措施;夹砂层均为粗砂时,管涌破坏时的情形与双层堤基类似,管涌破坏的范围局限于砂砾层顶部,破坏深度有限;夹砂层为细砾时,发生管涌破坏的临界水力梯度较小,管涌破坏程度逐步增加且破坏速度较快,由于涌砂量较大容易使堤基产生明显的渗透变形。     

广东沿海软基堤坝破坏机制及工程对策

广东沿海堤坝较多位于软基上,其破坏特征与软土变形有关。据此,系统分析软基上海堤失稳原因和破坏机制;同时,阐述在软基上修筑堤坝并提高其防御能力可从提高地基承载力、消减波浪能量、优化断面型式及采用轻质堤坝等多方面考虑。基于优化设计理论和堤基堤身整体分析模型,通过一个简单算例计算上下游坡比、填筑材料自重和地基加固区域等对软基上海堤稳定性的影响。优化分析结果表明,采用下游较上游缓的坡比对堤坝的整体稳定有利,且采用轻质材料填筑堤坝能有效克服软基的诸多不利因素;另外,软基加固更应针对堤下浅层地基。     

同马大堤堤基防渗方法研究

讨论了同马大堤堤身土质状况,对同马大堤堤基土层结构进行了分类,通过渗流计算提出了同马大堤典型断面堤基防渗处理措施。针对同马大堤堤基土层结构的特点,提出了堤基防渗处理的原则。堤防防渗方案的选择,必须顾及堤基土体的物理力学性质及堤基周围的人文及地理环境要素,同时应考虑到用于堤防防渗处理的经费,然后通过多种方案的比较,找出其中最为合理的堤防防渗处理措施。     

堤防防渗技术分析

本文主要是阐述了如何采用黏土斜墙法、贴坡排水法、劈裂灌浆法进行堤身防渗及采用加盖重、加铺盖、帷幕灌浆及垂直防渗墙进行堤基防渗的技术方法。     

含浅层强透水层堤基的上覆砂层管涌破坏试验研究

堤基中往往存在局部浅层强透水层并形成渗流优先通道,该通道不能大幅度削减流体的水头势能,易引起堤基管涌破坏,此类堤基管涌破坏机理的研究尚不明朗,仍需进一步研究。采用砂槽试验模拟堤基渗流,试验中通过抬升水箱水位,观察砂土中细颗粒流失现象,并分析渗流量、渗透坡降、测压管水头、砂土颗粒级配、锥头阻力、沉降量等关键参数。试验结果表明,水箱水位增大至48cm,浅层强透水层上覆砂层被"击穿"发生管涌破坏,管涌破坏分为稳定渗流阶段、细颗粒流失阶段(0.05d≤0.075粒级砂土流失)、较细颗粒流失阶段(0.075d≤0.1粒级砂土流失)、管涌破坏扩大阶段(0.1d≤0.25粒级砂土流失)。管涌破坏过程中,细颗粒砂土流失,锥头阻力降低,砂土层发生沉降,且较细颗粒流失阶段的沉降较为突出。细颗粒砂土流失导致砂土层孔隙率和渗透系数上升,渗流量和渗透坡降随之增大。     

悬挂式防渗墙防渗效果的模拟试验研究

 在实验室渗流槽中进行有悬挂式防渗墙的二元结构堤基的渗流模拟试验,取得不同贯入度悬挂式防渗墙防渗效果的系列试验成果。论证悬挂式防渗墙对上层为低液限黏土、下层为低液限粉土的二元堤基在发生渗透变形时有阻滞渗透变形发展的重要作用。对于上部为粉质黏土,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,接着在粉质黏土层与粉土层的结合层面发生接触冲刷,在水位持续升高到超过临界水位后,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,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。     

基于尖端坡降变化的双层堤基渗透破坏通道上溯研究

双层堤基渗透破坏集中渗流通道产生后,有继续上溯和保持稳定两种可能,传统方法中外江与管涌口之间的整体水力坡降只能判定渗透破坏发生与否,无法判定已有通道是否会继续上溯。是否继续上溯关键在通道尖端坡降的发展趋势,其根源是尖端土体颗粒在尖端坡降作用下的稳定性。当通道上溯后,其内沿程各处断面会发生冲淤变化,进而影响尖端坡降,在此作用下对尖端处土体颗粒进行稳定性计算,分析在进一步上溯后,尖端坡降的变化趋势。若尖端坡降随着通道的上溯持续增长,则说明该上溯会进一步发展,若通道上溯后尖端坡降维持稳定,则说明该通道不会持续上溯。编制有限元程序,同时考虑通道断面扩展和上溯与尖端坡降之间的相互影响,判定通道发展趋势。有限元程序中,对集中渗流通道断面进行等效代替,以加快计算速度。在室内进行模型试验,观测预设渗流通道的发展,通过数值模拟与室内试验数据对比,证明本理论方法及所编制程序可行可用。     

安庆城市防洪堤渗流控制

安庆城市防洪堤是长江典型堤段，堤基为强透水深砂层上复盖有复杂的弱透水土层，堤后减压深井百余眼未能达到预期效果并逐年淤堵。文中通过大堤原观资料分析，论证了其现状和减压井逐年淤堵趋势；由室内和现场洗井试验，探求了一种恢复减压井效用的方法。并就７个典型断面进行二维有限单元法渗流计算，比较多种渗控方案效果，针对各堤段特点分别提出堤内压盖、截断复盖土层中夹砂层，维护原减压井列排水线等加固方案。     

不透水地基上堤坝渗流计算的理论解

提出堤坝流态分区的概念和在流量固定条件下,上下游流态互不影响的法则。这使堤坝的渗流求解趋于简化和方便。增添新的理论计算式计有:上游区浸润线反弯点位置的计算式,下游区浸润线方程的解析开拓式和式前的待定常数的计算式以及下游区的附加渗径长度计算式等。按努美罗夫理论解?L1=C1H1-C2q/k和柯钦娜理论解q/k=μh0,高精度计算出上游区附加渗径长度?L1的比例系数C1和C2以及流量和出逸点高度关系式的比例系数μ,并据以提出有足够精度的C1,C2和μ的拟合计算式,以便于应用。经数值比较,得出比例系数C1全同于边坡有压流附加渗径长度的比例系数C0的结果。对于有尾水位的堤坝,提出了计算出逸点高度和下游区附加渗径长度的两经验计算式,据以计算的结果和有限单元法相符。     

Centrifuge model tests on the use of geosynthetic layer as an internal drain in levees

The objective of the paper is to examine the use of a geosynthetic layer as an internal drain in a levee subjected to flooding through centrifuge model tests. Three levee sections, having an upstream slope of 1V:1H and downstream slope of 1.5V:1H, were modelled at 30 gravities in a 4.5?m radius large beam centrifuge available at IIT Bombay. Out of the three levee sections modelled, one levee section was without any drainage layer (or clogged drain), while the other two had different types of horizontal drainage layers, namely, sand and nonwoven geotextile layer. The flood was induced with the help of a custom developed and calibrated in-flight flood simulator. At the onset of flood and subsequent seepage, pore water pressures within levee section, and surface settlements were measured using pore water transducers (PPTs) and linear variable differential transformer (LVDTs) respectively. Digital image analysis was employed to trace surface settlements, and downstream slope face movements at the onset of flooding during centrifuge tests. Levee section without any horizontal drain or clogged drain experienced a catastrophic failure. In comparison, the levee sections with an internal drain (sand/geotextile) remained stable at the onset of flooding. In the case of a levee with a sand drainage layer, the phreatic surface was observed to confine within the levee section itself, whereas it was found to migrate towards toe gradually in the levee section with a nonwoven geotextile layer. It is attributed to either due to suppression of drainage capacity of nonwoven geotextile layer or due to washing of fine particles into pores of nonwoven geotextile layer. Further, seepage and stability analyses were carried out numerically and compared with centrifuge test results. In order to address blocking of pores of nonwoven geotextile layer, a concept of sandwiching nonwoven geotextile layer with sand was explored. By sandwiching nonwoven geotextile layer with sand on either side, the thickness of drainage layer can be of the order of 0.05H.     

堤防失事风险分析和风险管理研究

基于堤防渗透破坏和岸坡滑动失稳风险的数学模型，提出了场地砂土地震液化和堤防失事综合风险分析的数学模型，以及堤防风险管理的概念；以南京市板桥河左岸堤防加固工程为例，应用风险分析理论和方法对该段堤防渗透破坏风险、岸坡滑动失稳风险、场地砂土地震液化风险以及堤防失事综合风险进行了分析研究；通过1995年板桥河左岸堤防典型破圩实例建立整个板桥河堤防渗透破坏风险率监界值、岸坡滑动失稳风险率临界值以及堤防失事综合风险率临界值；同时基于风险分析的结果和所建立的风险率临界值，根据风险管理的理论，针对板桥河左岸堤防加固工程提出降低风险的措施，对堤防汛期洪水位运行管理提出建议。其理论、方法、思路和结论可供同类工程借鉴。     

考虑土对水吸附性的渗流破坏理论与应用

 工程实践和模型试验结果都表明,上覆土层往往能够承受比自重压力更大的水头压力,目前还没有相关理论能够解释这一现象。考虑土颗粒对孔隙水的吸附性及结合水的连通情况,提出广义浮力、浮重度及广义水力梯度概念,给出具体的计算方法;明确计算中所用的参数 , 和 的物理意义,建议了估算 的方法,设想了测定 和 的方法,提出 与起始水力梯度 的理论关系式。这些方法考虑土层性质的差异,针对砂土和疏松土,广义浮力、广义浮重度及广义水力梯度变为传统的阿基米德浮力、浮重度及水力梯度。进一步得到不同土层中渗流力的计算方法,最终,得到土体在地下水作用下破坏条件的统一表达式,该公式可以解释土体在地下水作用下的几种不同破坏模式。依据该理论,基坑抗渗流稳定性和抗承压水稳定性的计算方法都应被修正,目前采用的计算方法都只是适应于砂土和疏松土的计算方法。采用该方法对不同组合的土层在地下水作用下的稳定性进行分析,得到的一些结论与传统说法并不相同。如：基坑围护结构插入深度分析时,如果不存在承压水作用,黏性土中的基坑很难发生渗流破坏,粉土地层中基坑的抗渗流破坏能力比砂土中的大;基坑抗承压水突涌分析时,如果上覆土层有一定渗透性,传统的压重平衡计算结果偏于不安全,含有一定量粉土的承压水层的上覆土层抵抗承压水能力会有所提高。最后,以上述成果为基础对水土压力统一计算理论做了修正。     

不透水地基上设有排水棱体堤坝渗流计算的理论解

论述了堤坝下游设有棱体和褥垫排水堤坝的渗流计算,排水边界的坡角大于 90 °。主要内容和成果有：①对于下游水深 H ₂ = 0 的棱体排水,按柯钦娜式 q / k = μ h ₀ ,高精度计算出流量和出逸点高度关系式的比例系数 μ 的倒值,并提出相应的 1/ μ 拟合式,以便于应用,应用转化的超越几何函数,导出出逸段的坡降计算式,并具体计算出排水边坡坡角 90 °, 135 °, 180 °的出逸坡降分布;②应用速度平面保角变换的简化方法,导出排水棱体临界水深 H _C 的计算式,其推导过程较之努米诺夫的混合函数法大为简化,另提出相应的 H _C 拟合式,以便于应用;③对于下游水深 H ₂ ≥ H _C 的棱体排水,按努氏式 Δ L₂ = D₁ H₂+ D₂ q / k ,高精度计算出下游区附加渗径 Δ L₂ 式的比例系数 D ₁ 和 D ₂ ,并提出相应的拟合式,以便于应用,应用保角变换求出该型堤坝下游区的精确解,再结合努氏的上游区精确解,举出一具体算例,精确计算出堤坝的流量和渗透系数的比值 q / k ,出逸点高度 h _s ,出逸段坡降 I 的分布,以及全程浸润线和上下两反弯点的坐标,可借以校核该型堤坝渗流有限元计算程序和其它近似计算方法的正确性及其计算精度;④对于下游水深 0< H₂< H_C 的棱体排水,提出出逸点高度 h _s 和下游区附加渗径 Δ L₂ 两近似理论计算式,据此算出的 q / k 和 h _s ,与有限元计算的结果相符。     

Centrifugal tests on minimization of flood-induced deformation of levees by steel drainage pipes

The rise in the river water level in a levee raises the phreatic surface. This facilitates the development of positive pore water pressure in the region below the phreatic surface, and consequently, reduces the shear strength of the soil. Steel drainage pipes that can provide both drainage and reinforcement functions could be a better option for levee protection against flooding compared to the traditional method of protection which can provide only one or the other of these functions. This paper presents the results of a series of centrifugal tests for six cases conducted to investigate the effectiveness of newly designed steel drainage pipes for minimizing the flood-induced deformation of levees. The test results reveal that the installation of these steel drainage pipes (1) allows the levee to withstand a higher flood water head and extended flood duration and (2) is effective for limiting the continuation of the slip line in the slope. The quick drainage of the seepage water can restrict the development of positive pore water pressure in the slope, and the mobilization of the axial force in the pipes minimizes the flood-induced deformation of the levee.     

试论堤坝的垂直防渗技术

病险堤坝处治中,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,是病险堤坝工程的主要防渗加固措施。工程中,常用的垂直防渗技术有:灌浆法、防渗墙法、高压喷射注浆法、深层搅拌法和垂直铺塑等。然而,每项垂直防渗技术都有一定的针对性和局限性,各种堤坝病害的产生机理、出现部位和破坏程度也不尽相同。为确保病险堤坝的防渗处治效果,必须加强防渗技术的研究,选择科学、经济、合理的综合治理方案。本文总结分析了国内外病险堤坝的失事原因及其堤坝失事与渗透破坏的关系,论述了堤坝的渗透破坏型式,分析了各种垂直防渗加固技术的研究成果和应用现状等。     

流固耦合的多元结构深厚覆盖层透水地基的力学特性

深厚覆盖层多元结构坝基在渗流过程中各土层力学差异明显,分析时关注的具体问题也不尽相同,需要深入研究。基于比奥固结理论,考虑土体的非线性流变以及土体固结变形过程中孔隙度、渗透系数、弹性模量及泊松比的变化;借助ADINA流固耦合模块来模拟西藏达嘎水电站坝基渗流场与应力场耦合过程,分析各层力学特性及相互作用。研究表明,透水性较强的表层土体是渗流主要通道,也是渗流进出区和沉降变形体现区,应在上游采取措施提高其压缩模量,下游区域增设反滤层和排水设施;坝基中的粉细砂层是坝基沉降的主要原因,对坝基沉降起主导作用,同时应注意其液化特性对坝基的不利影响;坝基中的承压含水土层对下游上部结构产生向上顶托力,若位置较深,则破坏性较小;坝基深部土层对整个坝基的渗流破坏影响较小,但对沉降和渗流量的影响不可忽视;表层砂卵砾石层和粉细砂层的渗透系数相差较小时,土层间不会发生接触冲刷。此外,还发现坝基孔隙水压力在快速衰减阶段被消散,期间土体固结较快。垂直防渗墙能有效降低渗透坡降和渗流量,将坝基沉降变形控制在防渗墙上游区域,但上游坝基变形对防渗墙产生较大的水平推力,应加大防渗墙尺寸或者采用辅助渗控措施。