雙層堤基產(chǎn)生管涌的防治

潘亨禹

(貴州省仁懷市水利局，貴州仁懷564500)

0 引言

在中小河流治理，防洪干堤工程中，雙層堤基的應用非常廣泛。管涌又稱泉涌，主要是指在洪水期，受超高承壓水頭的影響，堤后薄弱部位的黏性土蓋層局部受到破壞，出現(xiàn)冒砂噴水的現(xiàn)象。管涌是雙層堤基最常見的滲透破壞形式。隨著我國不斷發(fā)展的堤壩工程，對滲漏探測技術及堤壩隱患的研究工作也取得了一定的突破，研究和實踐的方向主要是以下4個方面:電磁法探測、電法探測、放射性探測和彈性波探測。一般來說，我們通常在堤垸外或堤壩上的水面上進行管涌滲漏探測，滲漏部位的確定主要是通過測定堤垸外的水面上的自然電位分布得到的。另外，目前還存在通過從上游探測到滲漏入口的堤壩管涌滲漏探測系統(tǒng)，其探測目標集中于滲漏通道和滲漏入口。然而對于雙層堤基，它還僅僅停留在普通的管涌模式。

1 產(chǎn)生管涌的原因

目前，我國的堤防基礎主要是二元結(jié)構(gòu)，最下面是與河水相通的強透水層，上面是粉沙、細沙，最上層是透水性不好的壤土或黏性土，管涌險情的示意圖見圖1。當汛期高水位時，因為強透水層透水效果不好，大部分的水壓力就會加在數(shù)百米范圍的堤防背水側(cè)內(nèi)表土層底部。

抗御水壓力不好的堤防背水側(cè)的地面黏土層遭到破壞的原因可以分為以下幾種:1)由于勘探爆破孔封閉不實、堤背水側(cè)鉆孔或一些結(jié)構(gòu)不當?shù)拿裼镁斐傻臐B流通道。2)建閘后，黏土層由于水流沖刷或渠道挖方的原因而減薄。3)堤背水側(cè)地面黏土層厚度不夠，防御水位提高，增大滲水壓力。4)在堤背水側(cè)取土加培堤防，將黏土層挖薄。5)潰口段內(nèi)存在的黏土層被破壞后，堤背水側(cè)留有黏土層較薄的淵潭，常會發(fā)生管涌現(xiàn)象。6)由于其他原因造成堤背水側(cè)表土層挖薄。

圖1 管涌險情示意圖

2 雙層堤基滲流的特征

雙層堤基的結(jié)構(gòu)是特殊的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，密封的強透水層存在堤后，形成一種滲而不流、承壓滲流的獨特現(xiàn)象，如圖2所示。滲而不流現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因就是在封閉滲流場中能量守恒定律的應用。由于出口受封閉，根據(jù)達西定律，當Q趨向O時，有V=Q/A也趨向0。當V→O不流時，堤外高勢能(水頭)很難被地下水將其轉(zhuǎn)化為機械能(流動)，能量沒有被轉(zhuǎn)化為熱能而散失，也沒有由于克服阻力做功而損耗機械能，導致堤內(nèi)外勢能(水頭)近乎相等，水頭(勢能)沒有明顯的損夫，堤后處于大范圍相近高度的承壓水頭的作用下。

圖2 雙層堤基的承壓滲流場

承壓滲流具有以下4個基本特征:1)在高承壓水頭作用下分布著大量的堤后強透水層，水頭呈線性分布。2)損失很小的承壓水頭，平緩的水力坡降，導致堤后數(shù)百米后仍存在超高承壓水頭，從而產(chǎn)生管涌。3)極其緩慢的承壓滲流速度，即使在極強透水層(K=100 m/d)中，仍有V＜1 m/d，近乎是不流的現(xiàn)象。4)堤內(nèi)外水力密切聯(lián)系，內(nèi)數(shù)百米處的測壓水頭與外江水位堤同步升降，近乎靜水壓力傳遞。上述特征中最根本的特征是滲流速度極其緩慢，幾乎呈靜水承壓狀態(tài)，就是不流現(xiàn)象。

3 管涌險情的判別

判斷管涌險情的程度可以從下面幾點著手:管涌口到堤腳之間的距離;管涌口直徑;管涌口的涌水量;涌水水頭;帶沙及涌水的渾濁度情況;洞口擴展情況等。判別分析管涌險情是否危害可以從下面幾點分析:1)產(chǎn)生管涌之前，堤背水側(cè)地面會出現(xiàn)膨脹、隆起、斷裂和浮動等現(xiàn)象，江水位的上漲有可能會頂穿覆土層，我們需要高度重視并及時有效的處理這種險情。2)管涌一般發(fā)生在較遠的坑塘洼地或背水堤腳附近地面。危害性與之到堤腳的距離成正比。3)在洼地或農(nóng)田中發(fā)生的管涌多數(shù)是管涌群，沙粒會在管涌口內(nèi)跳動，涌出的水多為清水，險情比較穩(wěn)定，不用及時處理，但是需要加強觀測。4)管涌發(fā)生在坑塘中，水中帶沙、色渾，水面會出現(xiàn)鼓泡翻花，在水較深的地方，水面只看到冒泡。5)有的管涌點距堤腳較遠，但隨著管涌口徑不斷擴大，管涌的不斷發(fā)展，將不斷增大管涌流量，帶出的沙也會越來越粗、越來越多。如果發(fā)生這種情況，我們需要及時處理。

4 管涌探測

4.1 主要部位

管涌的發(fā)生，總是從黏性土蓋層的局部薄弱部位受頂裂破壞開始的，隨后形成孔底進水的承壓冒水孔，挾帶出大量砂，導致冒水(砂)孔不斷加大，破壞范圍逐漸擴展。因此，管涌發(fā)生的主要部位就是黏性土蓋層的局部薄弱部位。可以采用瞬態(tài)瑞雷面波探測，利用其對覆蓋層分層效果好的優(yōu)點，結(jié)合少量鉆探，可以查明黏性土蓋層厚度變化，據(jù)此預測“管涌”可能發(fā)生的主要部位。

4.2 最大范圍

管涌在堤后強透水層分布范圍內(nèi)均可能發(fā)生，一般也只能在堤后強透水層分布范圍內(nèi)發(fā)生。管涌可能發(fā)生的最大范圍就是堤后壓滲的最大范圍，有事堤后強透水層分布范圍。

5 管涌的防治

5.1 反濾層壓蓋

當?shù)虄?nèi)出現(xiàn)管涌群或大面積管涌時，我們可以采用反濾層壓蓋的方法來制止地基泥沙流失和低涌水流速，以達到穩(wěn)定險情的目的。反濾層壓蓋必須用透水性好的材料，切忌使用透水性差的材料。根據(jù)所用反濾材料的不同，可分為沙石反濾壓蓋和梢料反濾壓蓋兩種形式。

5.2 蓄水反壓

蓄水反壓就是通過抬高管涌區(qū)內(nèi)的水位來使得堤內(nèi)外的水頭差得到降低，從而出逸水力坡降得到降低，滲透壓力也得到降低，達到穩(wěn)定管涌險情和制止管涌破壞的目的。使用條件為:1)管涌區(qū)面積較大或者其他的缺少沙石料的地方;2)覆蓋層相對薄弱的老險工段，結(jié)合地形，做專門的大圍堰充水反壓;3)堤后有坑塘，閘后有渠道，利用坑塘水位或渠道水位進行蓄水反壓。蓄水反壓可以分為渠道蓄水反壓、塘內(nèi)蓄水反壓和圍井反壓3種形式。

5.3 反濾圍井

反濾圍井就是指在管涌井內(nèi)用反濾料鋪填，用麻袋或編織袋裝土來填補管涌口，防止涌水帶沙，防止險情的進一步加深。當管涌口較小時，填補圍井也可用汽油桶或無底水桶。如果發(fā)生水下管涌，當水深較淺時也可以采用這種方法。根據(jù)所用反濾料的不同，反濾圍井可以分為沙石反濾圍井和土工織物反濾圍井2種形式。

6 結(jié)論

綜上所述，雙層堤基水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特殊，堤基滲流具靜水承壓特征。管涌可能發(fā)生的最大范圍就是堤后強透水層的分布范圍，黏性土蓋層的局部薄弱部位就是黏性土蓋層厚度小于堤前擋水高度的0.5倍時的部位，這也是發(fā)生管涌現(xiàn)象的最可能部位。通過明確雙層堤基發(fā)生管涌的主要部位和主要原因，就可以及時做好管涌的防治工作。

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