悬挂式防渗墙的优越性

毛昶熙

（南京水利科学研究院，210029，南京）

闸坝堤防建筑在透水地基上，常采用防渗墙措施，而且力求安全，尽量建造封闭式防渗墙。采用截断透水层的防渗墙不仅耗资可观，而且切断了与两岸地下水的互相联系，对防洪排涝均有不利。为此建议采用悬挂式防渗墙措施，并从渗流计算分析和渗透变形管涌方面论证其防渗作用。

一、悬挂式防渗墙的优越性

1.否定悬挂式墙的防渗效果应该更正

长期概念是悬挂式防渗效果不明显，必须墙深S截断透水地基深度D达到贯入度S/D=0.8，防渗效果才开始显著。此项笼统否定概念应加说明和适当更正，因为此处所说的防渗效果只是渗流量方面，另一更重要的防止砂基渗透变形、保证工程稳定方面的作用却仍很独到。而且减少渗流量方面效果不明显的说法也只能适用于闸坝底板或堤底沿渗流方向水平长度L远大于透水砂基深度D的情况。例如，防渗墙贯入度S/D=0.8，设在L=5D的闸坝堤底中间，只能减少渗流量24%，但若是闸坝底长缩短为L=D，此贯入度0.8的墙就可减少渗流量44%。如果再把此墙由底板中间改设在一端，则相应减少渗流量提高到34%和54%。这说明悬挂式防渗墙减少渗流量效果与闸坝堤底水平防渗长度相对于透水砂基深度的比值有关，同时也与墙的位置有关。如果设计合理，也可取得较好的效果。

2.垂直防渗效果远大于水平防渗

莱恩（Lane，1934）调查土基上的278座闸坝，其中有150座遭到破坏，分析结果后提出垂直防渗效果3倍于水平者，取代了布莱（Bligh，1910）的直线比例防渗效果设计方法。我们也调查过36座土基上的闸坝，其中有6座破坏，都是粉细砂管涌破坏，经过研究分析，垂直防渗效果并不是固定地3倍于水平者，有的高达8倍以上，也有的小到1倍，这与墙的位置、长短、土质分布有关。墙设在闸坝堤底两端要比中间防渗效果大，这是因为沿底渗流水头损失曲线是斜卧S形，两端渗流集中、坡降最大的缘故。总结最后提出了沿底水平段和出口的渗流坡降是防渗设计的关键，已被国内设计手册和规范采用。所有这些垂直防渗效果远大于水平者的调研总结，当然都是悬挂式板桩或防渗墙。

3.悬挂式墙可控制管涌向上游发展

沿墙面向上冲动松砂所需要的渗流坡降，由于克服重力，远大于水平冲动松砂的渗流坡降，而且垂直墙阻挡前面渗压土体对其上游水平段松砂起动也提高了渗流坡降。据上覆弱透水土层、下为粉细砂层的地基中，设悬挂式板墙的管涌发展过程试验结果，取安全系数1.5时，则一般水平段、板墙段、墙前水平段的允许渗流坡降依次为 0.07、0.4、0.15。因此可用堤坝下游发生管涌处到上游水源补给的分段损失水头累加∑△h大于上下游总水头H作为管涌险情不致发展影响堤坝安全的判别式，如下：

式中，L1和L2为悬挂式板墙前后的水平段长度，S为板墙的深度。

4.悬挂式墙可延缓洪峰传播和削减洪峰

对于非稳定渗流，当江河洪峰在堤坝底下砂基中传播时，其洪峰延迟时间和距河边x距离处的峰值H、衰减后的水头Hx由下面公式计算：

上式是按照正弦型曲线洪峰值H和历时T引证的；SS和 k为基砂的贮存率和渗透系数。例如洪水峰历时T=20 d左右，基砂 SS=10-3/m，k=2×10-3cm/s=1.73 m/d，代入上式计算 x=100 m 处的△t=4.3 d，Hx=0.51H。设洪峰水头H=5 m，则距河（砂层渗流进口）x=100 m处的堤内弱透水覆盖层厚度，若小于0.51×5＝2.6 m就将在此处发生管涌险情。1998年长江洪水在九江决堤，最高洪水位23.03 m（8月2日），溃口时江水位回落到22.87 m（8月7日），溃堤时间是延迟在洪峰后5 d，管涌发生在靠近堤脚10 m，堤内有深水塘，塘水位18.2 m。

若堤坝基底设有防渗板墙深入基砂层 3.5 m，据式（1）的估算，其防渗效果相当于40 m长的水平防渗，则以 x＝140 m 代入式（2）及（3）可得洪峰传播迟后时间△t=6 d，洪峰水头衰减为Hx=0.39 H。可见悬挂式防渗墙虽然不长，其防止堤坝下游发生管涌和险情发展的作用也是显著的。

5.悬挂式墙不影响内外水力联系和生态环境

江河洪水时补给两岸地下水，枯水时地下水补给江河，已是自然规律。对于有一定水平防渗长度的堤坝工程，据上述的防渗效果分析已知悬墙对渗流水量影响很小，对管涌渗透破坏有显著的控制作用，这恰好能在满足工程安全的条件下不影响自然界水力联系互补规律。可是封闭式防渗墙却要破坏江河水与两岸地下水间的互补水力联系，不仅对防洪和排涝不利，也将对两岸地区的生态环境产生不良影响。

据湖北、湖南、江西、安徽四省的长江典型堤段防渗墙的前后实测水位调查，悬挂式墙前外江水位与墙后地下水位的最大差小于0.5 m，且水位变化趋势相同。半封闭式墙截断上层强透水砂层）的内外最大水位差，在洪水期为3 m，枯水期为1.5 m。全封闭式墙（截断上下砂层）的内外水位差最大超过5 m，内外水位变化互不影响。由此调查的墙前后水位差可估算墙对堤内地下水的影响程度。例如，全封闭式墙形成水位差5 m，若无此墙，此洪水期水头5 m将向两岸渗流补给地下水，设在汛期一个月左右补给两岸地下水影响距离为2 km，补给地下水水位平均上升2 m，并设土质有效孔隙率为0.3时，则1 000 km长江补给两岸地下水量为2×2×2 000×10-6×0.3=2.4×10-9m3，相当于24亿m3的大型地下水库，自然将缓解汛期的洪水险情。同样也可估算半封闭和悬墙影响江水与地下水互补的程度。

如果知道汛期江水补给地下水的渗流速度，也可估算补给地下水储量。例如取用多瑙河补给两岸平均渗流速度1 m/d；并设长江堤基砂砾石深50 m时，则计算1 000 km长江两岸在汛期一个月内补给地下水量为30亿m3。究竟如何估算内外水量互补联系，还是一个复杂的非稳定渗流问题，尚待深入研究。不过应当肯定地下水库的调节作用不可忽视。就长江流域而言，地表径流量年平均为9 600亿m3，地下水补给量为2130亿m3，可见地表、地下水量互补调节的重要性。若简单化防渗，即采用封闭式墙截断水力联系，势必造成今后长期危害着自然界生态环境平衡的后果。待隐患发展严重时，再想拆除地下工程就不太容易了。

二、结论和建议

按照上述新概念设计悬挂式防渗墙，可以达到堤防安全的目标。同样，悬挂式墙也可成功引用到闸坝水库的防渗工程，不必费大力截断深厚砂砾地基，而忘记影响下游。笔者的豫北家乡，距卫河、漳河都不算远，修上游水库解决了家乡水淹之患，但河水断流。卫河原是到天津的运输航道，靠船舶过境税收创办了楚旺中学，河边地块种植甘蔗。现在的卫河断流，成了排水沟，附近地块只有玉米、谷子了。像这样的河流下游沧桑巨变，提醒我们修建水库时也不能完全截断水力联系，包括通过坝基砂砾层补充下游的地下水，免得对下游生态环境发生不利的影响。

最后，对闸坝堤防透水砂基防渗墙方案，强调悬挂式应该取代封闭式的同时，为进一步论证其可靠性，建议再开展课题研究：①调研长江大堤防渗墙和典型水库防渗墙影响水力联系现状；②悬挂式防渗墙底脚的集中绕渗管涌试验 （管涌土和非管涌土）。这两项研究课题都应辅助以数值非稳定渗流计算分析，而且需要能互相验证计算结果，避免出差错。

[1]毛昶熙，段祥宝，毛佩郁.堤基悬挂式截墙的防渗作用[C].长江堤防防渗工程技术讨论会论文集，1999.

[2]毛昶熙,等.悬挂式防渗墙控制管涌发展的试验研究[J].水利学报，2005（1）.

[3]毛昶熙，等.悬挂式防渗墙控制管涌发展的理论分析[J].水利学报，2005（2）.

[4]毛昶熙，段祥宝，毛佩郁，等.堤防渗流与防冲[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

[5]毛昶熙，周名德，柴恭纯.闸坝工程水力学与设计管理[J].水利学报，1995.

[6]毛昶熙，等.堤防工程手册[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[7]段祥宝.堤防垂直防渗措施对地下水环境的影响[R].南京水科院研究报告，2009.