陳 超 王 霄 齊春舫

(淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005 )

1 概 述

由于黃河流域特殊的水文地質(zhì)條件，黃河中下游地區(qū)形成了復(fù)雜的故道河流體系，稱為黃河故道體系。黃河故道水系因黃河水體中泥沙含量較高的特點(diǎn)，其河床整體較高，水系較為獨(dú)立。現(xiàn)有的黃河故道體系中的黃河故道堤壩，大部分是基于黃河奪道后河床逐漸淤積抬高的基礎(chǔ)上修建而成的，且由于修筑朝代更迭，土石堤壩本體土層較為復(fù)雜，難以進(jìn)行全面詳細(xì)的歸類。

新中國(guó)成立以來，國(guó)家投入了極大的成本對(duì)黃河及黃河故道進(jìn)行了整治，但由于黃河下游自五帝時(shí)期河道便開始游蕩，故道體系繁雜，且除奪淮奪濟(jì)外，中小流域奪道情況不勝枚舉。在長(zhǎng)期歷史進(jìn)程中，黃河故道堤壩均會(huì)利用黃河水體附近的淤泥質(zhì)軟土拌和黏土進(jìn)行修筑。本文通過分析黃河奪淮形成故道所形成的土石壩，分析淤泥質(zhì)黏土夾層對(duì)滲流壩體穩(wěn)定性的影響。

高密度電法是一種利用不同物體電阻率差異進(jìn)行電阻率數(shù)據(jù)采集的方法。通過對(duì)特定時(shí)間段的電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，形成檢測(cè)物體內(nèi)部組成的云圖，研究人員通過辨別電阻率差值判斷物體內(nèi)部構(gòu)造。由于該種方法對(duì)檢測(cè)物體基本無(wú)任何損傷，常被用于地質(zhì)勘探。土石壩體積較為巨大，但檢測(cè)面較為規(guī)則，本文基于非勻質(zhì)體電場(chǎng)分布規(guī)律，對(duì)土石壩內(nèi)部淤泥質(zhì)黏土夾層進(jìn)行研究，得出淤泥質(zhì)黏土夾層對(duì)滲流壩體穩(wěn)定性的安全評(píng)價(jià)。

2 試驗(yàn)原理

由于黃河故道堤壩的復(fù)雜性，為開展土石壩內(nèi)部淤泥質(zhì)黏土夾層研究，試驗(yàn)依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)對(duì)淮安黃河故道堤壩進(jìn)行探方巡查，基于探方結(jié)果選定淮安咸岔河某處廢棄堤壩進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)所采用的高密度電阻率法是電阻率成像技術(shù)中較為應(yīng)用成熟的一種方法。該法綜合了剖面法與測(cè)深法兩種檢測(cè)方法，在野外進(jìn)行測(cè)量時(shí)，采用陣列電極對(duì)所研究的剖面進(jìn)行斷面寬度與特定深度測(cè)量，將所檢測(cè)的電信號(hào)進(jìn)行反演層析成像，將斷面信息形成可視化云圖，探測(cè)該斷面土層概況。

本文通過地勘選定含淤泥質(zhì)黏土夾層試驗(yàn)剖面，通過對(duì)試驗(yàn)剖面不同工況下的高密度電法儀形成的圖像進(jìn)行對(duì)比分析，得出淤泥質(zhì)黏土夾層對(duì)壩體滲流影響規(guī)律，利用該規(guī)律進(jìn)行淤泥質(zhì)黏土夾層對(duì)壩體穩(wěn)定性安全影響評(píng)價(jià)分析。

3 試驗(yàn)方案

3.1 場(chǎng)地概況

咸岔河河道全長(zhǎng)13.83km，其整體為茭陵一站引河支流，全年斷面水位可以由胡莊閘與茭陵一站抽引控制。咸岔河流域沿線以黏土為主，上部為淤泥及淤泥質(zhì)黏土，見表1。

表1 咸岔河流域土體基本特性

由于咸岔河河道全年斷面水位可以抽引控制，流域整體水文特征見表2。

表2 咸岔河流域水文特征

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在淮安咸岔河某處廢棄堤壩(見圖1)的試驗(yàn)場(chǎng)地依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)進(jìn)行。

圖1 檢測(cè)坡面全貌

高密度電阻率法采用巖聯(lián)技術(shù)YL-EDT高密度電法儀測(cè)量中使用的3m×2m 均勻電極網(wǎng)格，供電和測(cè)量電極布設(shè)在大壩兩側(cè)坡面及其延伸方向 32m 的區(qū)域(見圖2)。試驗(yàn)通過調(diào)控坡面水位進(jìn)行不同工況下的高密度電法檢測(cè)，在堤壩整體滲流網(wǎng)穩(wěn)定后進(jìn)行檢測(cè)圖像與數(shù)據(jù)的存樣采集，斷面滲流圖像具有鮮明的代表性。

圖2 檢測(cè)坡面形態(tài)

4 結(jié)果分析

4.1 枯水位下滲流分析

堤壩枯水位下堤壩電阻率見圖3。整體看來電阻率分配較為均勻，電阻率與探方所得邊界值較為接近。

圖3 枯水位下壩體電阻率圖像

在枯水位下，水位線位于圬工河槽內(nèi)，土石壩滲流網(wǎng)受周圍土體滲流影響較大，通過分析枯水位下壩體電阻率圖像可以發(fā)現(xiàn)壩體內(nèi)側(cè)16.0～25.0m范圍內(nèi)出現(xiàn)電阻率異常，與檢測(cè)前端漸進(jìn)性變化有較大差異，且其電阻率與堤壩表面較為接近，而堤壩表面薄層為河道歷年清淤所殘留的淤泥質(zhì)黏土，通過探方驗(yàn)證了壩體內(nèi)側(cè)16.0～25.0m的確存在淤泥質(zhì)黏土夾層，呈現(xiàn)透鏡體狀態(tài)。圖中電阻值分布較為舒緩，規(guī)律性較強(qiáng)，這說明，當(dāng)河道水位所形成的滲流網(wǎng)不經(jīng)過壩體中的淤泥質(zhì)夾層時(shí)，土石壩整體穩(wěn)定，滲流網(wǎng)平順。

4.2 常水位下滲流分析

堤壩在常水位下的堤壩電阻率見圖4。整體看電阻率分配出現(xiàn)較多異?；鶊F(tuán)，異?；鶊F(tuán)出現(xiàn)的位置集中在堤壩表面與淤泥質(zhì)夾層。

圖4 常水位下壩體電阻率圖像

在常水位下，水位線位于圬工河槽邊緣，土石壩滲流網(wǎng)主要受原周圍土體滲流網(wǎng)與坡面-圬工河槽河水滲流壓的影響，壩體表層與壩體內(nèi)部3.0～7.0m范圍內(nèi)出現(xiàn)電阻率異?；鶊F(tuán)，與枯水位檢測(cè)有較大差異，可認(rèn)為當(dāng)滲流網(wǎng)的邊緣經(jīng)過壩體淤泥質(zhì)黏土夾層，但在滲流壓力較小時(shí)，易在淤泥質(zhì)黏土夾層形成強(qiáng)滲流網(wǎng)，且由于淤泥質(zhì)土體本身滲透性較差，在不均勻的滲透壓作用下，其透鏡表面電阻率值與壩體表面電阻率十分接近，容易在其周圍形成滲流壓力異常通道。

4.3 汛期常態(tài)水位下滲流分析

汛期常態(tài)水位是指流域進(jìn)入汛期后，為保證黃河故道干流安全對(duì)全流域進(jìn)行水位調(diào)控時(shí)的水位均值。由于汛期常水位變化較為頻繁，汛期常態(tài)水位下堤壩電阻率 見圖5。整體看來電阻率分配出現(xiàn)的異?；鶊F(tuán)范圍較常水位異常電阻率基團(tuán)更大，滲流通路出現(xiàn)的位置集中在淤泥質(zhì)夾層表層。

圖5 汛期常態(tài)水位下壩體電阻率圖像

在汛期常態(tài)水位下，水位線超過圬工河槽較多，土石壩滲流網(wǎng)主要受坡面-圬工河槽河水滲流壓的影響，壩體在16.0m處形成較為曲折滲流通道。汛期常態(tài)水位下，滲流壓力較小易在淤泥質(zhì)黏土夾層形成弱滲流通道，土石壩仍可保持穩(wěn)定。

4.4 汛期最高洪水位下滲流分析

流域進(jìn)入汛期后，由于全流域均處于最高洪水位，水位無(wú)法進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控。汛期最高洪水位下堤壩電阻率見圖6。

圖6 汛期最高洪水位下壩體電阻率圖像

從圖中可以清晰看出，汛期最高洪水位下其異常集團(tuán)數(shù)量更多，淤泥質(zhì)黏土夾層整體異常呈現(xiàn)圈層分布，且?guī)缀跛械漠惓；鶊F(tuán)均成層形成獨(dú)立的電阻率層。比較圖5與圖6，其電阻率圈層性擴(kuò)展具有極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，由此可以判斷，經(jīng)過壓力較小滲流的長(zhǎng)期浸泡，在淤泥質(zhì)黏土夾層形成了軟弱滲流通道，當(dāng)土體滲流壓力未到達(dá)極限值時(shí)，土石壩仍可保持穩(wěn)定；當(dāng)?shù)虊嗡幒拥篱L(zhǎng)期處于汛期最高洪水位的極限狀態(tài)時(shí)，在淤泥質(zhì)黏土夾層所形成的滲流通道不斷形成穩(wěn)定通道，堤壩出現(xiàn)明顯滲漏，使土石壩無(wú)法保持穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

以淮安黃河故道沿線堤防壩體為研究對(duì)象，基于試驗(yàn)段不同工況下的電阻率圖像得出以下結(jié)論：

a.當(dāng)滲流網(wǎng)不經(jīng)過壩體中的淤泥質(zhì)夾層時(shí)，土石壩整體穩(wěn)定，土石壩滲流網(wǎng)受周圍土體滲流影響較大。

b.當(dāng)滲流網(wǎng)的邊緣經(jīng)過壩體淤泥質(zhì)黏土夾層，且滲流壓力較小時(shí)，受土體滲流網(wǎng)與坡面-圬工河槽河水滲流壓的共同影響，容易在其周圍形成滲流壓力異常通道，但土石壩仍可保持穩(wěn)定。

c.當(dāng)?shù)虊嗡幒拥篱L(zhǎng)期處于汛期最高洪水位土體滲流壓力較大時(shí)，在極限狀態(tài)下淤泥質(zhì)黏土夾層所形成的滲流通道不斷形成穩(wěn)定通道，使土石壩無(wú)法保持穩(wěn)定。