淤泥质黏土夹层对渗流坝体稳定性安全评价分析

陈 超 王 霄 齐春舫

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005 )

1 概 述

由于黄河流域特殊的水文地质条件，黄河中下游地区形成了复杂的故道河流体系，称为黄河故道体系。黄河故道水系因黄河水体中泥沙含量较高的特点，其河床整体较高，水系较为独立。现有的黄河故道体系中的黄河故道堤坝，大部分是基于黄河夺道后河床逐渐淤积抬高的基础上修建而成的，且由于修筑朝代更迭，土石堤坝本体土层较为复杂，难以进行全面详细的归类。

新中国成立以来，国家投入了极大的成本对黄河及黄河故道进行了整治，但由于黄河下游自五帝时期河道便开始游荡，故道体系繁杂，且除夺淮夺济外，中小流域夺道情况不胜枚举。在长期历史进程中，黄河故道堤坝均会利用黄河水体附近的淤泥质软土拌和黏土进行修筑。本文通过分析黄河夺淮形成故道所形成的土石坝，分析淤泥质黏土夹层对渗流坝体稳定性的影响。

高密度电法是一种利用不同物体电阻率差异进行电阻率数据采集的方法。通过对特定时间段的电阻率数据进行组合，形成检测物体内部组成的云图，研究人员通过辨别电阻率差值判断物体内部构造。由于该种方法对检测物体基本无任何损伤，常被用于地质勘探。土石坝体积较为巨大，但检测面较为规则，本文基于非匀质体电场分布规律，对土石坝内部淤泥质黏土夹层进行研究，得出淤泥质黏土夹层对渗流坝体稳定性的安全评价。

2 试验原理

由于黄河故道堤坝的复杂性，为开展土石坝内部淤泥质黏土夹层研究，试验依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)对淮安黄河故道堤坝进行探方巡查，基于探方结果选定淮安咸岔河某处废弃堤坝进行试验。

试验所采用的高密度电阻率法是电阻率成像技术中较为应用成熟的一种方法。该法综合了剖面法与测深法两种检测方法，在野外进行测量时，采用阵列电极对所研究的剖面进行断面宽度与特定深度测量，将所检测的电信号进行反演层析成像，将断面信息形成可视化云图，探测该断面土层概况。

本文通过地勘选定含淤泥质黏土夹层试验剖面，通过对试验剖面不同工况下的高密度电法仪形成的图像进行对比分析，得出淤泥质黏土夹层对坝体渗流影响规律，利用该规律进行淤泥质黏土夹层对坝体稳定性安全影响评价分析。

3 试验方案

3.1 场地概况

咸岔河河道全长13.83km，其整体为茭陵一站引河支流，全年断面水位可以由胡庄闸与茭陵一站抽引控制。咸岔河流域沿线以黏土为主，上部为淤泥及淤泥质黏土，见表1。

表1 咸岔河流域土体基本特性

由于咸岔河河道全年断面水位可以抽引控制，流域整体水文特征见表2。

表2 咸岔河流域水文特征

3.2 试验方法

试验在淮安咸岔河某处废弃堤坝(见图1)的试验场地依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)进行。

图1 检测坡面全貌

高密度电阻率法采用岩联技术YL-EDT高密度电法仪测量中使用的3m×2m 均匀电极网格，供电和测量电极布设在大坝两侧坡面及其延伸方向 32m 的区域(见图2)。试验通过调控坡面水位进行不同工况下的高密度电法检测，在堤坝整体渗流网稳定后进行检测图像与数据的存样采集，断面渗流图像具有鲜明的代表性。

图2 检测坡面形态

4 结果分析

4.1 枯水位下渗流分析

堤坝枯水位下堤坝电阻率见图3。整体看来电阻率分配较为均匀，电阻率与探方所得边界值较为接近。

图3 枯水位下坝体电阻率图像

在枯水位下，水位线位于圬工河槽内，土石坝渗流网受周围土体渗流影响较大，通过分析枯水位下坝体电阻率图像可以发现坝体内侧16.0～25.0m范围内出现电阻率异常，与检测前端渐进性变化有较大差异，且其电阻率与堤坝表面较为接近，而堤坝表面薄层为河道历年清淤所残留的淤泥质黏土，通过探方验证了坝体内侧16.0～25.0m的确存在淤泥质黏土夹层，呈现透镜体状态。图中电阻值分布较为舒缓，规律性较强，这说明，当河道水位所形成的渗流网不经过坝体中的淤泥质夹层时，土石坝整体稳定，渗流网平顺。

4.2 常水位下渗流分析

堤坝在常水位下的堤坝电阻率见图4。整体看电阻率分配出现较多异常基团，异常基团出现的位置集中在堤坝表面与淤泥质夹层。

图4 常水位下坝体电阻率图像

在常水位下，水位线位于圬工河槽边缘，土石坝渗流网主要受原周围土体渗流网与坡面-圬工河槽河水渗流压的影响，坝体表层与坝体内部3.0～7.0m范围内出现电阻率异常基团，与枯水位检测有较大差异，可认为当渗流网的边缘经过坝体淤泥质黏土夹层，但在渗流压力较小时，易在淤泥质黏土夹层形成强渗流网，且由于淤泥质土体本身渗透性较差，在不均匀的渗透压作用下，其透镜表面电阻率值与坝体表面电阻率十分接近，容易在其周围形成渗流压力异常通道。

4.3 汛期常态水位下渗流分析

汛期常态水位是指流域进入汛期后，为保证黄河故道干流安全对全流域进行水位调控时的水位均值。由于汛期常水位变化较为频繁，汛期常态水位下堤坝电阻率 见图5。整体看来电阻率分配出现的异常基团范围较常水位异常电阻率基团更大，渗流通路出现的位置集中在淤泥质夹层表层。

图5 汛期常态水位下坝体电阻率图像

在汛期常态水位下，水位线超过圬工河槽较多，土石坝渗流网主要受坡面-圬工河槽河水渗流压的影响，坝体在16.0m处形成较为曲折渗流通道。汛期常态水位下，渗流压力较小易在淤泥质黏土夹层形成弱渗流通道，土石坝仍可保持稳定。

4.4 汛期最高洪水位下渗流分析

流域进入汛期后，由于全流域均处于最高洪水位，水位无法进行主动调控。汛期最高洪水位下堤坝电阻率见图6。

图6 汛期最高洪水位下坝体电阻率图像

从图中可以清晰看出，汛期最高洪水位下其异常集团数量更多，淤泥质黏土夹层整体异常呈现圈层分布，且几乎所有的异常基团均成层形成独立的电阻率层。比较图5与图6，其电阻率圈层性扩展具有极强的关联性，由此可以判断，经过压力较小渗流的长期浸泡，在淤泥质黏土夹层形成了软弱渗流通道，当土体渗流压力未到达极限值时，土石坝仍可保持稳定；当堤坝所处河道长期处于汛期最高洪水位的极限状态时，在淤泥质黏土夹层所形成的渗流通道不断形成稳定通道，堤坝出现明显渗漏，使土石坝无法保持稳定。

5 结 论

以淮安黄河故道沿线堤防坝体为研究对象，基于试验段不同工况下的电阻率图像得出以下结论：

a.当渗流网不经过坝体中的淤泥质夹层时，土石坝整体稳定，土石坝渗流网受周围土体渗流影响较大。

b.当渗流网的边缘经过坝体淤泥质黏土夹层，且渗流压力较小时，受土体渗流网与坡面-圬工河槽河水渗流压的共同影响，容易在其周围形成渗流压力异常通道，但土石坝仍可保持稳定。

c.当堤坝所处河道长期处于汛期最高洪水位土体渗流压力较大时，在极限状态下淤泥质黏土夹层所形成的渗流通道不断形成稳定通道，使土石坝无法保持稳定。