1999年4月Journal of H unan U niversity(N atural Sciences Editi on)A p r.1999大堤管涌形成机理分析及治理方法α
肖四喜　李银平
(岳阳大学建工系,中国岳阳,414000)
摘　要　分析了大堤管涌形成的机理,并提出了其治理方法和措施,对
今后治理管涌有一定的实际参考意义Λ
关键词　流砂,管涌,动水压力
分类号　TV142
M echan is m A nalysis and R em edy of W ater Gu sh ing
T h rough P i pes in M ain D am
X iao Six i　L i Y inp ing
(D ep t of C ivil Engineering Yueyang U niv,414000,Yueyang,P R Ch ina)
Abstract　M echan is m of w ater gu sh ing th rough p i pes in m ain dam is analyzed and rem edy m ethods fo r it are given in th is p aper.
Key words　flow ing sand,w ater gu sh ing th rough p i p es,danam ic w ater p ressu re
近几年来,我国长江一带连续遭受了历史罕见的洪水灾害,特别是1998年洪水历经两个余月,大堤长期处于超高水位的浸泡,各种险情不断发生,如管涌、大堤内外滑坡、涡崩等,如不及时发现妥善处理,将会造成溃堤决口的灭顶之灾,给国家和人民的生命财产带来严重损失Λ本文就汛期险情出现频率较高、危害较大的管涌现象作一粗浅的分析,并提出一些治理方法,供参考Λ
1　大堤管涌产生的机理
1.1　流砂现象
实践经验表明,具备下列性质的土在一定动水压力作用下,就有可能发生流砂现象Λ
1)土的颗粒组成中,粘粒含量小于10%,粉粒(颗粒为0.005～0.05mm)含量大于75%;
2)颗粒级配中,土的不均匀系数小于5;
3)土的天然孔隙比大于0.75;
4)土的天然含水量大于30%Λ
α:19980315.,,36,
因此,流砂现象经常发生在细砂、粉砂及亚砂土中Λ流砂产生的原因可通过图1试验说明Λ由于高水位的左端(水头为h1)与低水位的右端(水头为h2)之间存在压力差,水经过长度为L,断面面积为F的土体由左向右渗透,作用于土体上的力有:
Χw h1F作用于土体左端a2a截面处的总水压力,其方向与水流方向一致(Χw为水的重度);
Χw h2F作用于右端b2b截面处的总水压力,其方向与水流方向相反;
TL F土骨架对水流的阻力(T为单位土体阻力)Ζ
由静力平衡条件得:Χw h1F-Χw h2F-TL F=0,化简得
T=h1
-h2
L
Χw,(1)式中h1
-h2
L
为水头差与渗透路程长度之比,即为水力坡度以I表示Ζ上式写成T=IΧwΖ由于T与水在土中渗流时对单位土体的压力G D大小相等、方向相反,所以
G D=-T=-IΧw,(2
)
图1　流砂产生原因试验图 图2　大堤产生流砂原理图
G D称为动水压力,其作用方向与水流一致,见图2,当G D≥Χ′w时(Χ′w为土的浸水容重)Ζ土颗粒失去自重,处于悬浮状态,土的抗剪强度等于零,土颗粒能随渗流的水一起流动产生流砂现象Ζ
1.2　管涌产生的机理
当大堤堤身含有细颗粒,且颗粒为均匀松散的非粘性土层时,在长期高水位浸泡下,其土层变成饱和土时,极容易产生管涌冒沙现象Ζ随着堤外洪水的上涨,即压力水头H加大(见图3)Ζ当HΧw>hΧ(式中Χw,Χ分别为水和土的重度),即水的渗透作用对堤内不透水地表土层的顶托力大于地表土的重量时,产生管涌,或管涌群,冒出大量泥砂,且管径不断加大,如不及时处理则造成溃堤决口,后果不堪设想Ζ
2　大堤管涌易发点
由以上分析及实践经验表明,管涌主要发生在以下地点Ζ
1)堤边水井处Ζ水井一般打入透水层,随着堤外水位上涨,渗流加快,动水压力G D加大,当大于土的浸水容重Χ′w时,土颗粒处于悬浮状态,土的抗剪强度等于零,土颗粒随渗流的水一起流动,产生流砂管涌Ζ
421 湖南大学学报(自然科学版) 1999年
图3　大堤产生管涌机理图
1.堤身,
2.透水土层,
3.压力水位线(H 为压力水头)
4.不透水地表土层(h 为不透水层厚度),
5.承压水顶托力
2)堤边水塘、水沟等低洼处Ζ因这些地方其底部标高低于岸边较多,地表土(非透水层)较薄,自重小,是薄弱环节,当堤外水位上涨时,由于水的渗透对地表土顶托力加大,极易产生管涌Ζ
3)堤脚附近(堤脚为砂土)Ζ砂土为透水层,大堤长期处于高水位浸泡,堤脚砂土变成
饱和土,堤内脚出汗,当堤外水位上涨时,砂土中的动水压力G D 加大,当G D ≥Χ′w (Χ′w 为砂
土的浸水容重)时,产生内脱坡形成流砂、管涌Ζ
4)离堤脚100～200m 范围处(堤脚为砂土)Ζ
当堤脚砂土位于堤内地面一定深度时,当大堤长期高水位浸泡,砂土变为饱和土,当水位不断升高时,由于渗流作用,则砂土中水的顶托力也加大,当大于其上部薄弱处覆盖土的重量时,则产生管涌或管涌群Ζ
3　管涌的治理方法
从近几年洪灾情况表明,管涌是产生溃堤的主要原因,且发生频率较高,如果不及时发现处理,将造成巨大的损失Ζ据以上分析可知:出现流砂管涌的重要条件是动水压力的大小和方向,因此防治流砂管涌的原则是治水Ζ从(2)式可知主要途径有消除、减少或平衡动水压力(顶托力),具体措施如下Ζ
1)在管涌处抛大石块或砂卵石袋堆筑平台以平衡动水压力(顶托力),压住管涌Ζ如果是堤内水塘出现管涌,可以采用虹吸管将堤外水引入水塘,减小水头差,平衡洪水时江堤渗透的动水压力,压住管涌Ζ
2)摸清管涌堤外渗水处,用大米、黄豆、粘土袋堵压,以减少洪水对江堤渗透的动水压力Ζ
3)打板桩法Ζ在管涌处堤外打板桩,增加水渗入堤内的渗流长度,以减小水力坡度,从而减小江堤渗透的动水压力,防止流砂管涌Ζ
4)采用土壤冻结法Ζ对于堤身地质条件、构造较复杂的情况采用冻结法形成冻结防渗冰幕,防止流砂管涌Ζ
5)化学注浆法Ζ采用粘土固化注浆法,建立地下防渗帐幕防渗堵漏,或采用先灌大米等遇水膨胀的物质灌住缝眼,然后浇灌水泥浆,可较好的防治管涌Ζ
6)对距大堤100m 范围内的鱼池、水沟、土坑等低洼处,全部运土分层碾压填平,增
5
21　第2期 肖四喜等:大堤管涌形成机理分析及治理方法
加地面覆盖土层的自重,以平衡洪水对江堤渗透的动水压力(顶托力)Ζ
7)在堤外用防水耐腐材料压堤防渗,减小动水压力Ζ
管涌险情是大堤的重要险情之一,实践证明本文所采取的治理方法是切实可行的,可供来年抗洪参考Ζ长江大堤地质条件复杂,可能产生各种险情Ζ故而抗洪要采取多种科学方法,光靠水利等部门的科技人员难以胜任,要组织建筑、机械、矿山、地质等多学科的科技人员参与抗洪工作Ζ
参考文献
1　东南理工大学等编.地基及基础.北京:中国建筑工业出版社,1987
2　谢中渊.建筑施工.北京:中国建筑工业出版社,1985
(上接第122页)
378mm 2>Θm in bh =67
.5mm 2;跨中截面所需的正弯矩钢筋截面面积 A s =69.11mm 2>Θm in bh =67
.5mm 2. .确定纵筋的总用量
支座截面、上部纵筋所需的截面总面积为A s =378mm 2加上2ф12,即
378+226=604mm 2
跨中截面、下部纵筋所需截面总面积为67.5+226=293.5mm 2,实配2ф14,A s =308mm 2Ζ
支座及跨中截面最后配筋情况如图3所示
Ζ
图3　支座及跨中截面配筋
参考文献
1　《建筑结构静力计算手册》编写组.建筑结构静力计算手册.北京:中国建筑工业出版社,19742　Salvado ri M ,L evy M .Structural D esign in A rch itecture .P renlice 2H all Inc Englew ood C liffs N J ,
1967
3　孙训方等.材料力学.北京:人民教育出版社,19796
21 湖南大学学报(自然科学版) 1999年。