堤基渗透变形理论与渗漏探测方法研究
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摘要
本文在分析总结前人对渗透理论和渗透变形以及渗漏探测方法的基础上提出了渗透变形的理论模型和渗漏探测的平面热源法，并将环境同位素和水文地球化学方法应用于堤坝基的渗漏分析评价。
均质各向同性砂砾石堤基渗漏涌砂可归纳为完整井和非完整井模型。当砂砾石层较厚时，涌砂的发生、发展符合紧靠上覆粘性土层的半球形井底模型；当砂砾石层相对较薄时，涌砂的发生、发展过程符合完整井模型。通过建立管涌发展过程中地层渗透性的概化模型和井流计算模型，模拟了管涌发展的全过程。计算认为，管涌沿垂直于堤轴方向最容易发生和发展，形成贯通性集中渗漏通道。定义了“临界距离”的概念，即在其它条件不变情况下，管涌发生并发展形成贯通性集中渗漏通道的管涌口与河岸之间的最小距离。管涌口位于临界距离之内则会形成贯通性集中渗漏通道，距离越近，危险越大。用裂隙的渗透性代替地层接触面附近各种成因的粗糙面或缝隙的渗透性，从而建立接触冲刷发展过程中地层渗透性的概化模型和井流计算模型，模拟了接触冲刷发展的全过程。对粘土层与砂砾石之间的接触冲刷问题进行了模拟，接触面附近的细砂从出渗口开始流出，出渗口附近的渗透系数先增大，然后逐步向内部发展，也可以形成集中渗漏通道，发展的规律类似于管涌发展规律，但发展的速度前者高于后者。建立了双层结构堤基发生流土的完整井流砂和半球形井底流砂物理模型，通过算例采用分时段稳定流理论模拟了基于临界水力坡降的流砂动态发展过程。堤基发生渗透变形而形成的集中渗漏通道，将自涌砂口沿垂直堤轴方向发展，并在平面上自涌砂口到河床不断扩大，在深度上不断加深。通道的规模取决于涌砂口的流量大小和水位高低，尤其在较低水位时通道规模将最大。用综合示踪方法探测分析复杂堤基渗漏，实践证明是十分有效的，并在北江大堤石角段源于基岩中的集中渗漏通道探测中得到成功应用，同时，本文还首次将平面热源法应用于断层型堤基渗漏的探测与分析，进一步确定了北江大堤石角段渗漏断层的空间状态。环境同位素和水化学分析技术的应用大大地增强了复杂堤坝基渗漏的分析手段，通过三个具体堤坝基工程的应用，解决了一些重大工程难题。
On the basis of analyzing and summarizing previous penetration theory and seepage deformation and method of seepage detection, this paper puts forward the theoretical model of seepage deformation and the planar heat source method for seepage detection. And also, environmental isotope and hydrogeochemistry are applied to the analysis and evaluation of the seepage of the dam foundation.
The seepage and boiling of sand on the uniform isotropic gravel base of dam can be reduced to completely penetrating well and nonpenetrating well model. While the gravel layer is thick, the occurrence and development of the boiling of sand correspond to the model of hemispheric bottom hole which cheek by jaw with upper clay band; While the gravel layer is relatively thin, the occurrence and development of the boiling of sand correspond to completely penetrating well model. By means of establishing of notional model of stratum penetrability and computational well flowing model during the development of boiling of sand, we can simulate the overall process of boiling of sand .The computational result suggest that the occurrence and development of the boiling of sand are usually in the direction which is perpendicular to the dam axis, forming the perforated collective seepage passageway. The concept of 'critical distance' is that the minimum distance between the exit of passageway mentioned above and the bank wi
th condition of no change. If the exit is within the critical distance, perforated collective seepage passageway will form, the more closer, the more dangerous will be. Replacing the penetrability of coarse surface or the cranny near the stratum interface which has all kinds of causes of formation with the of cranny, we can form notional model and computational well flowing model for stratum penetrability which is in contact with scour developing course and simulate the overall process of contact scour. We simulate the contact scour between the clay band and the gravel. The silver sand near the interface begin flow through the seeping exit, the permeability coefficient near seeping exit first increases, then developing to the interior step by step, it can also form the collective seepage passageway. Its developing law is analogous to that of boiling of sand development with faster developing speed. We establish the completely penetrating well model for the floating earth on the doubledecked embankment founda
tion and model of drift sand in hemispheric
bottom hole, which simulate the dynamic process of drift sand basing on the critical hydraulic slope by a example using the tune-sharing steady flow theory. The collective seepage passageway formed by seepage deformation will develop from the exit to the direction perpendicular to the dam axis, expanding on the surface from the exit to riverbed with increasing depth. The scale of passageway lies on the magnitude of discharge of the exit and the water level, and it reach the maximum at lower water level. Practice proves that the synthetical tracer method for detecting and analyzing the seepage of complicated embankment foundation is effective. And it is successful hi detecting the collective seepage passageway which come from the bedrock on the dam of North River. At the same time, this paper will introduce the planar heat source method to detect and analyze the seepage of faultage embankment foundation, which further confirm the spatial state of the faultage embankment foundation of North River Levee. Hydrau
lic geochemistry and environmental isotope method improve our way to analyze the seepage of complicated embankment foundation. Through three applications of specific dam engineering, some important engineering problems are solved.
均质各向同性砂砾石堤基渗漏涌砂可归纳为完整井和非完整井模型。当砂砾石层较厚时，涌砂的发生、发展符合紧靠上覆粘性土层的半球形井底模型；当砂砾石层相对较薄时，涌砂的发生、发展过程符合完整井模型。通过建立管涌发展过程中地层渗透性的概化模型和井流计算模型，模拟了管涌发展的全过程。计算认为，管涌沿垂直于堤轴方向最容易发生和发展，形成贯通性集中渗漏通道。定义了“临界距离”的概念，即在其它条件不变情况下，管涌发生并发展形成贯通性集中渗漏通道的管涌口与河岸之间的最小距离。管涌口位于临界距离之内则会形成贯通性集中渗漏通道，距离越近，危险越大。用裂隙的渗透性代替地层接触面附近各种成因的粗糙面或缝隙的渗透性，从而建立接触冲刷发展过程中地层渗透性的概化模型和井流计算模型，模拟了接触冲刷发展的全过程。对粘土层与砂砾石之间的接触冲刷问题进行了模拟，接触面附近的细砂从出渗口开始流出，出渗口附近的渗透系数先增大，然后逐步向内部发展，也可以形成集中渗漏通道，发展的规律类似于管涌发展规律，但发展的速度前者高于后者。建立了双层结构堤基发生流土的完整井流砂和半球形井底流砂物理模型，通过算例采用分时段稳定流理论模拟了基于临界水力坡降的流砂动态发展过程。堤基发生渗透变形而形成的集中渗漏通道，将自涌砂口沿垂直堤轴方向发展，并在平面上自涌砂口到河床不断扩大，在深度上不断加深。通道的规模取决于涌砂口的流量大小和水位高低，尤其在较低水位时通道规模将最大。用综合示踪方法探测分析复杂堤基渗漏，实践证明是十分有效的，并在北江大堤石角段源于基岩中的集中渗漏通道探测中得到成功应用，同时，本文还首次将平面热源法应用于断层型堤基渗漏的探测与分析，进一步确定了北江大堤石角段渗漏断层的空间状态。环境同位素和水化学分析技术的应用大大地增强了复杂堤坝基渗漏的分析手段，通过三个具体堤坝基工程的应用，解决了一些重大工程难题。
On the basis of analyzing and summarizing previous penetration theory and seepage deformation and method of seepage detection, this paper puts forward the theoretical model of seepage deformation and the planar heat source method for seepage detection. And also, environmental isotope and hydrogeochemistry are applied to the analysis and evaluation of the seepage of the dam foundation.
The seepage and boiling of sand on the uniform isotropic gravel base of dam can be reduced to completely penetrating well and nonpenetrating well model. While the gravel layer is thick, the occurrence and development of the boiling of sand correspond to the model of hemispheric bottom hole which cheek by jaw with upper clay band; While the gravel layer is relatively thin, the occurrence and development of the boiling of sand correspond to completely penetrating well model. By means of establishing of notional model of stratum penetrability and computational well flowing model during the development of boiling of sand, we can simulate the overall process of boiling of sand .The computational result suggest that the occurrence and development of the boiling of sand are usually in the direction which is perpendicular to the dam axis, forming the perforated collective seepage passageway. The concept of 'critical distance' is that the minimum distance between the exit of passageway mentioned above and the bank wi
th condition of no change. If the exit is within the critical distance, perforated collective seepage passageway will form, the more closer, the more dangerous will be. Replacing the penetrability of coarse surface or the cranny near the stratum interface which has all kinds of causes of formation with the of cranny, we can form notional model and computational well flowing model for stratum penetrability which is in contact with scour developing course and simulate the overall process of contact scour. We simulate the contact scour between the clay band and the gravel. The silver sand near the interface begin flow through the seeping exit, the permeability coefficient near seeping exit first increases, then developing to the interior step by step, it can also form the collective seepage passageway. Its developing law is analogous to that of boiling of sand development with faster developing speed. We establish the completely penetrating well model for the floating earth on the doubledecked embankment founda
tion and model of drift sand in hemispheric
bottom hole, which simulate the dynamic process of drift sand basing on the critical hydraulic slope by a example using the tune-sharing steady flow theory. The collective seepage passageway formed by seepage deformation will develop from the exit to the direction perpendicular to the dam axis, expanding on the surface from the exit to riverbed with increasing depth. The scale of passageway lies on the magnitude of discharge of the exit and the water level, and it reach the maximum at lower water level. Practice proves that the synthetical tracer method for detecting and analyzing the seepage of complicated embankment foundation is effective. And it is successful hi detecting the collective seepage passageway which come from the bedrock on the dam of North River. At the same time, this paper will introduce the planar heat source method to detect and analyze the seepage of faultage embankment foundation, which further confirm the spatial state of the faultage embankment foundation of North River Levee. Hydrau
lic geochemistry and environmental isotope method improve our way to analyze the seepage of complicated embankment foundation. Through three applications of specific dam engineering, some important engineering problems are solved.
引文
1 毛昶熙主编，渗流计算分析与控制，中国水利水电出版社，1990。
2 钱家欢，殷宗泽主编，土工原理与计算(第二版)，中国水利水电出版社，1996。
3 郭建扬，防汛堤坝、堤基结构与渗透变形，岩石力学与工程学报，1998年第6期。
4 肖四喜，李银平，大堤管涌形成机理分析及治理方法，工程勘察，2000年第3期。
5 hugaev, R. R(1971)Seepage through Dams, Advances in Hydroscince, ed. By V. t. C. how Vol. 7.
6 Hsu, S. J. C. (1981): Aspects of piping Resistance to seepage in clayeysoils, 10th conference on soil Mech. and Found. Engineering, p. 421.
7 Sherard, J. L., et al.: Piping in the Earth Dams of Dispersive Clay, Performance of Earth and Earth-Supported Structures, Vol. 1, Partl, 1972.
8 Sherard, J. L., et al., Piping in Earth Dam of Dispersive Clay, Performance of Earth and Earth-supported Structures, Vol. 1, Part 1, 1972, p. 589.
9 王理芬，曹敦履，荆江大堤堤基管涌破坏[J]，长江科学院院报。1991，8 (2)。
10 白世伟，谷志孟，长江中下游洪涝灾害的成因及防御对策，岩石力学与工程学报，1998年第6期。
11 张家发，王满星，丁金华，典型条件下堤身堤基渗流规律分析，长江科学院院报，2000年第5期。
12 陈建生，李兴文，赵维炳，堤防管涌产生集中渗漏通道机理与探测方法研究，水利学报，2000年第9期。
13 曹敦履等，水工建筑物管涌的Monte-Carlo模拟，人民长江，1997年第6期。
14 曹敦履，渗流管涌的随机模型，长江科学院院报，1985年第2期。
15 钱家欢，分散性土作为坝料的一些问题，岩土工程学报，1981年第1期。
16 刘杰，缪良娟，分散性黏土的抗渗特性，岩土工程学报，1987年第2期。
17 李思慎，长江重要堤防隐蔽工程建设中的防渗处理，长江科学院院报，2000年增刊。
18 陈效国等，堤防工程新技术，黄河水利出版社，1998年4月。
19 董哲仁主编，堤防除险加固实用技术，中国水利水电出版社，1998年11月。
20 刘杰著，土的渗透稳定与渗流控制，水利电力出版社，1992年12月。
21 曹敦履，葛洲坝工程大江围堰地基渗流控制，水利学报，1988年第2期。
22 Vaughan, P. R, m Soares, H. F.: Design of Filters for Clay cores of Dams, Proc. ASCE, Vol. 108, GT1, 1982.
23 Bennett, R. D and R. F. Anderson(1982): New pressure test for determining Coefficient of permeability of rock masses, Report GL-82-3, U. S. Army Eng. WES.
24 Schneider, H. J. (19820: Problems of the determination of in-situ permeability in fissured rock 1st intern. Mine water Congress, Budapest, proc. A, p. 277.
25 Sherard, J. L., et al., Identification and Nature of Dispersive Soils, Proc. ASCE, GT4, 1976.
26 Sherard, J. L., et al., Pinhole Test for Idetifying Dispersive Soil, Proc. ASCE, GT1, 1976.
27 Culshaw B. Optical fiber sensing and signal processing [M].London:petr Peregrinus Ltd, 1984.
28 魏菊英，王关玉编，同位素地球化学，地质出版社，1988年3月。
29 李学礼编著，水文地球化学，原子能出版社，1988年11月。
30 沈照理主编，水文地球化学基础，地质出版社，1986年6月。
31 Ingles, O. G., Soil Chemistry relevant to Enginerring Behavior of soils, Soil mechanics—Selected Topics, Elsevier, 1968.
32 Mogilator V, Balashov B. New method of geoelectrical prosecting by vertical electric current soundings, 1985.
33 李樟苏等编著，同位素技术在水利工程中的应用，水利电力出版社，1984年11月。
34 刘光尧，陈建生著，同位素示踪测井，江苏科学技术出版社，1999年10月。
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44 刘光尧，用放射性同位素测定含水层水文地质参数的方法(上)，勘察科学技术，1997年第1期。
45 刘光尧，用放射性同位素测定含水层水文地质参数的方法(下)，勘察科学技术，1997年第2期。
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8 Sherard, J. L., et al., Piping in Earth Dam of Dispersive Clay, Performance of Earth and Earth-supported Structures, Vol. 1, Part 1, 1972, p. 589.
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12 陈建生，李兴文，赵维炳，堤防管涌产生集中渗漏通道机理与探测方法研究，水利学报，2000年第9期。
13 曹敦履等，水工建筑物管涌的Monte-Carlo模拟，人民长江，1997年第6期。
14 曹敦履，渗流管涌的随机模型，长江科学院院报，1985年第2期。
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21 曹敦履，葛洲坝工程大江围堰地基渗流控制，水利学报，1988年第2期。
22 Vaughan, P. R, m Soares, H. F.: Design of Filters for Clay cores of Dams, Proc. ASCE, Vol. 108, GT1, 1982.
23 Bennett, R. D and R. F. Anderson(1982): New pressure test for determining Coefficient of permeability of rock masses, Report GL-82-3, U. S. Army Eng. WES.
24 Schneider, H. J. (19820: Problems of the determination of in-situ permeability in fissured rock 1st intern. Mine water Congress, Budapest, proc. A, p. 277.
25 Sherard, J. L., et al., Identification and Nature of Dispersive Soils, Proc. ASCE, GT4, 1976.
26 Sherard, J. L., et al., Pinhole Test for Idetifying Dispersive Soil, Proc. ASCE, GT1, 1976.
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