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1、南京水利科学研究院1999年12月水利水运科学研究第4期堤防地基渗透破坏机制及其治理X朱 伟山村和也(河海大学岩土工程研究所,南京,210098)(日本大学生产工学部土木工学科,日本千叶县)摘 要 结合日本阿武隈川地基渗漏防治工程中所遇到的问题,应用有限元饱和2非饱和渗流解析,对地基渗透破坏发生机制及其影响因素作了分析和讨论。经过对地基防渗处理方案的解析,明确了各种方法的优劣和适用条件,指出了地基防渗处理中应当注意的问题。关键词:堤防渗透破坏 管涌 地基防渗 有限元法 影响因素1 引 言河堤的渗漏一般可以分为堤身渗漏和地基渗漏两种。堤
2、身渗漏大多是由筑堤材料不良或施工缺陷所造成,而地基渗漏则取决于河堤的地基条件。从危害程度上讲,地基渗漏发生[1,2]的次数多,范围广,造成决堤的事例也比较多。象美国的密西西比河,日本的矢作川,长良[3]川都曾发生大规模的地基渗透破坏而造成灾害。在中国1998年长江流域的大洪水中,地基的渗漏也造成了大量的险情。因此地基渗漏的防治是治水工程中应该首先考虑的问题之一。发生地基渗透破坏的河堤地基一般都具有较为特殊的地层组合:表层为较薄的弱透水层,下卧较厚的强透水层,也就是所谓的双层地基。美国的密西西比河,日本的长良川和中国长江干堤都属于这类地
3、层。除地基构成外,洪水水位、洪水持续时间、降雨量、河堤周围的地形、初期地下水的位置等条件都对地基渗漏的发生与否、发生规模产生一定的影响。一般来说,将地基内的渗流考虑为稳定流进行计算,可以得到较为安全的结果,这一方[4][5,6]法被堤防加固和设计所广泛应用。但是从本质上讲,地基内的渗流受到各种条件影响,是一种变化非常复杂的非稳定流。只有了解各种因素所发生的影响,才能明确渗流的机制,以施行合理有效的加固工程。本文结合日本阿武隈川地基防渗加固中所遇到的问题,应用有限元饱和2非饱和非稳定渗流解析,从各个方面对影响渗流的机制进行了分析。对地基
4、渗透破坏的防治方法作了探讨。2 阿武隈川地基渗透破坏事例阿武隈川是横跨日本福岛、宫城两县的河流,干流长239km,在1996年被日本建设省2指定为一级河川。阿武隈川拥有5400km的流域面积,高水位时的流量,在上游福岛地区33为7000mös,在下游的岩沼地区为10700mös。由于阿武隈川拥有多达196条的支流,而且具有较为陡峻的流路坡降(1ö1000～1ö2000),所以洪水的形成具有快而猛的特点,在历X收稿日期:1999204201第4期 朱 伟等:堤防地基渗透破坏机制及其治理339史上曾多次造成洪水灾害。阿武隈川堤防的标准断
5、面和地基条件见图1,一般来说堤高在6m左右,边坡为1∶2。堤身多由细～中砂组成,在部分地段夹杂着一些碎石。阿武隈川堤防堤基一般为双层地基,表土层为透水性较差的粉砂土层,下卧强透水的冲积砂图1 阿武隈川堤防的标准断面和地基条件砾层,再下面是洪积砂砾层,其透水系数Fig.1Standardcrosssectionandgroundconditionof是冲积砂砾层的1ö10左右。在一些地theAbukumagawaRiverembankment段,冲积砂砾层中存在1m左右的粘土质夹层。另外,也有一些地段不存在表土层,或者表土层较薄。阿武隈
6、川堤防的堤基具有透水性较大的特点。1998年8月底,4号,5号台风在日本相继登陆,受其影响在阿武隈川上游、中游发生了暴雨。在8月26日～9月1日之间最大降雨量达到1269mm(真船观测所),各支流水位相继上涨,多数支流超过了高水水位。此后,干流水位上涨,在中上游福岛县境内发生了各种类型的洪水灾害。福岛地区的降雨和洪水水位的状况见图2 福岛地区的洪水以及降雨图2。此次洪峰分两次,共持续将近5d,第2Fig.2ThedataoffloodandrainfallinFukushima次洪峰水位接近高水水位。在这期间上游的district平均
7、降雨量达到457mm,福岛地区也降雨314mm。在洪水期间,阿武隈川中游地段多处发生地基的渗透破坏。虽然这些管涌、喷砂最终未能引起决堤事故,但是否需要对其进行治理,如何对其进行治理的问题引起了重视。由于阿武隈川中游的地下水位较深,洪水持续时间较短(4～5d),可以认为地基内的渗流尚处于非稳定流阶段,加之可作为隔水层的洪积砂砾层的透水性较大图3 有限元解析网格及条件,而且在很多地区赋Fig.3AnalysismeshoftheFEM存较深,所以只有了解和掌握各种因素对地基渗透破坏的影响,才能够施行经济合理的地基防渗工程。3 有限元法饱和
8、2非饱和渗流解析为了考虑洪水渗透时非饱和带的水分移动,有限元的渗流解析采用了可以同时考虑降 水 利 水 运 科 学 研 究 3401999年12月[7]雨和洪水渗透的饱和2非饱和计
