CN117107769A - 考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置及方法，渗漏通道包括入渗口和出渗口，装置包括第一堵漏筒、第二堵漏筒、第一电极板、第二电极板和输浆管路，第一堵漏筒和第二堵漏筒分别设置于入渗口位置和出渗口位置；第一电极板设置于第一堵漏筒中，第一电极板具有至少一个通孔；第二电极板设置于第二堵漏筒中；输浆管路通过第一电极板上的通孔延伸进入第一堵漏筒中；通过第一电极板和第二电极板对第一堵漏筒中的堵漏材料施加电场，堵漏材料在电场、水流以及自重作用下进入并封堵渗漏通道。本发明能够在不损伤土质堤坝工程的前提下，实现渗漏通道的有效封堵，具有结构简单、便于操作、利于技术推广和科学研究的特点。

Description

考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置及方法

技术领域

本发明涉及土质堤坝工程渗漏通道封堵技术领域，尤其是指一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置及方法。

背景技术

堤坝是防洪的重要屏障，受特殊建设时期技术水平限制以及复杂服役环境等多重因素的影响，堤坝时常存在渗漏通道，使得汛期易发生异常渗漏。

现阶段对于已经发生并存在的渗漏通道，较为常用的处置方法主要可分为四类，第一类方法是出口围砂井法，即用砂袋将渗漏出口围起来，并在其中蓄一定高度的水；第二类方法是封堵入渗口，即用封堵材料直接封堵入渗口；第三类方法是采用喷浆搅拌方式构建水泥搅拌桩或高压旋喷桩来隔断渗漏通道；第四类方法是钻孔灌浆法，即向渗漏通道内灌入黏土浆、水泥浆、化学浆等。但是上述第一类方法和第二类方法均是采用围堵的方法对渗漏通道进行处置，无法从根源彻底解决堤坝存在的潜在隐患；第三类方法工作量较大，工程造价高，难以普及应用；第四类方法中水泥浆和化学浆存在耐久性问题，黏土浆耐久性最好，但处置过程中通常忽视渗漏通道土质级配条件，存在盲目灌浆问题，并留下了隐患；此外，先钻孔、后高压灌入的作业方式，对施工技术和经验要求高，操作不当会引起填筑料二次扰动，影响坝体和堤身的稳定。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的问题，提出一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置及方法，其能够在不损伤土质堤坝工程的前提下，实现渗漏通道的有效封堵，保证其长效安全服役，具有结构简单、便于操作、利于技术推广和科学研究的特点。

为解决上述技术问题，本发明提供一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置，渗漏通道包括入渗口和出渗口，装置包括：

第一堵漏筒，其两端开口，所述第一堵漏筒设置于所述入渗口位置；

第二堵漏筒，其两端开口，所述第二堵漏筒设置于所述出渗口位置；

第一电极板，其设置于所述第一堵漏筒中，所述第一电极板具有至少一个通孔；

第二电极板，其设置于所述第二堵漏筒中；

输浆管路，其通过所述第一电极板上的通孔延伸进入所述第一堵漏筒中，所述输浆管路用于将堵漏材料输送至所述第一堵漏筒中；

其中，通过所述第一电极板和所述第二电极板对所述第一堵漏筒中的堵漏材料施加电场，所述堵漏材料在电场、水流以及自重作用下进入并封堵所述渗漏通道。

在本发明的一个实施例中，还包括供电设备，所述供电设备连接所述第一电极板和第二电极板。

在本发明的一个实施例中，还包括搅拌桶和第一搅拌器，所述搅拌桶连通所述输浆管路，所述搅拌桶上设置有第一搅拌器。

在本发明的一个实施例中，还包括第二搅拌器，所述第一电极板具有第一通孔和第二通孔，所述输浆管路通过所述第一通孔延伸进入所述第一堵漏筒中，所述第二搅拌器设置于所述第一堵漏筒上，所述第二搅拌器具有搅拌轴，所述搅拌轴穿过所述第二通孔延伸进入所述第一堵漏筒中。

在本发明的一个实施例中，还包括堵泥组件，所述堵泥组件设置于所述第二堵漏筒中。

在本发明的一个实施例中，所述堵漏材料为一种带电胶体粒子，或由多种电性相同的胶体粒子组成的带电粒子。

在本发明的一个实施例中，所述第一电极板的极性与所述第二电极板的极性相反，所述第一电极板的极性与所述堵漏材料的极性相同。

此外，本发明还提供了一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复方法，该方法基于上述所述的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置实现，该方法包括：

确定土质堤坝渗漏通道的入渗口和出渗口；

在所述入渗口处取原状土样开展室内颗粒分析试验，获得原状土样级配曲线，根据原状土样级配曲线确定原状土样的特征粒径；

根据入渗口原状土样的参数，确定堵漏材料的特征粒径；

将第一堵漏筒插入所述入渗口位置，第二堵漏筒插入所述出渗口位置，通过输浆管路将堵漏材料输送至所述第一堵漏筒中；

开启供电设备，通过第一电极板和第二电极板对第一堵漏筒中的堵漏材料施加电场，堵漏材料在电场、水流以及自重作用下进入并封堵渗漏通道；

当第二堵漏筒出现堵漏材料时，继续进行封堵工作，取入渗口和出渗口处的土样开展室内试验，计算出渗口的临界水力比降，并统计出渗口和入渗口的细颗粒含量；

判断出渗口的临界水力比降、出渗口和入渗口的细颗粒含量是否均≥设定的阈值，若是，则堵漏完成，若否，则继续堵漏作业。

在本发明的一个实施例中，在封堵过程中，第一电极板始终与堵漏材料接触，第二电极板与汇集于所述第二堵漏筒中的水体接触。

在本发明的一个实施例中，在确定堵漏材料后，将所述堵漏材料配置为含水率200%~300%的浆体。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明提出的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置及方法，其能够在不损伤土质堤坝工程的前提下，实现渗漏通道的有效封堵，保证其长效安全服役，具有结构简单、便于操作、利于技术推广和科学研究的特点。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明使用场景剖面示意图。

图2是本发明第一电极板的结构示意图。

图3是细颗粒随水流流失的现象示意图。

图4是本发明实施步骤方法示意图。

图5是本发明堵漏材料逐渐封堵渗漏通道示意图。

图6是本发明土坝试验模型布置示意图。

图7为本发明土坝模型中入渗口土体级配曲线。

图8为堵漏材料级配曲线。

图9为封堵后出渗口和入渗口土体级配曲线。

其中，附图标记说明如下：1、土质堤坝；2、渗漏通道；21、入渗口；22、出渗口；23、渗漏通道壁；24、细颗粒；25、粗颗粒；31、供电设备；32、第一堵漏筒；33、第二堵漏筒；34、电缆；35、第二搅拌器；36、堵泥组件；37、第一电极板；371、第一通孔；372、第二通孔；38、第二电极板；41、搅拌桶；42、输浆管路；43、第一搅拌器；5、堵漏材料。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

请参照图3所示，常见的渗透破坏形式主要包括管涌、流土、接触冲刷和接触流失。其中，管涌、接触冲刷、接触流失均表现为细小土颗粒在渗透力作用下沿粗颗粒孔隙道或接触面移动流失的现象。因此本发明提供了一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置，其通过一定的方式在渗漏通道内粗颗粒的空隙内补充细颗粒后，便能阻止渗透破坏的进一步恶化或发展。

请参阅图1所示，本实施例提供一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置，渗漏通道2包括入渗口21和出渗口22，装置包括第一堵漏筒32、第二堵漏筒33、第一电极板37、第二电极板38和输浆管路42，第一堵漏筒32两端开口，所述第一堵漏筒32设置于所述入渗口21位置；第二堵漏筒33两端开口，所述第二堵漏筒33设置于所述出渗口22位置；第一电极板37设置于所述第一堵漏筒32中，所述第一电极板37具有至少一个通孔；第二电极板38设置于所述第二堵漏筒33中；输浆管路42通过所述第一电极板37上的通孔延伸进入所述第一堵漏筒32中，所述输浆管路42用于将堵漏材料5输送至所述第一堵漏筒32中；其中，通过所述第一电极板37和所述第二电极板38对所述第一堵漏筒32中的堵漏材料5施加电场，所述堵漏材料5在电场、水流以及自重作用下进入并封堵所述渗漏通道2。

本实施例提供的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置还包括供电设备31，所述供电设备31连接所述第一电极板37和第二电极板38，第一电极板37和第二电极板38通过电缆连接供电设备31，供电设备31能够产生直流高压电场，电压高达上千伏。作为优选地，第一电极板37和第二电极板38为铜、铝或石墨制成，具备良好的导电性能。

上述第一堵漏筒32和第二堵漏筒33可以是两端开口的圆筒或方筒状，其材质为硬质材料，经久耐用。

本实施例提供的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置还包括搅拌桶41和第一搅拌器43，所述搅拌桶41连通所述输浆管路42，所述搅拌桶41上设置有第一搅拌器43。作为示例地，搅拌桶41具有进口和出口，其出口连通输浆管路42，第一搅拌器43包括搅拌器电机、搅拌轴和搅拌叶片，其中搅拌器电机传动连接搅拌轴，所述搅拌叶片设置于搅拌轴上，搅拌轴通过搅拌桶41的进口延伸进入搅拌桶41内，将堵漏材料5倒入搅拌桶41内，并通过搅拌的方式将堵漏材料5配置成含水率为200%~300%的浆体。

请参照图2所示，进一步地，本实施例提供的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置还包括第二搅拌器35，所述第一电极板37具有第一通孔371和第二通孔372，所述输浆管路42通过所述第一通孔371延伸进入所述第一堵漏筒32中，所述第二搅拌器35设置于所述第一堵漏筒32上，所述第二搅拌器35的结构与所述第一搅拌器43的结构相同，第二搅拌器35的搅拌轴穿过所述第二通孔372延伸进入所述第一堵漏筒32中，在堵漏材料5进入第一堵漏筒32后，继续通过第二搅拌器35对堵漏材料5进行搅拌，以使堵漏材料5均匀分布。

本实施例提供的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置还包括堵泥组件36，所述堵泥组件36设置于所述第二堵漏筒33中。作为优选地，堵泥组件36采用堵泥土工布，堵泥土工布具备透水不透泥的作用，使堵漏材料5留在渗漏通道2内，避免堵漏材料5从出渗口22出来。

上述所述堵漏材料5为一种带电胶体粒子，或由多种电性相同的胶体粒子组成的带电粒子，使其能够在电场环境下定向移动。进一步地，带正电胶体粒子包括金属的氧化物、金属的氢氧化物胶体粒子等；带负电胶体粒子包括金属的硫化物、非金属氧化物、土壤胶体粒子、硅酸胶体粒子、银铂金胶体粒子等。

进一步地，当堵漏材料5带有负电极性时，第二电极板38为正极，第一电极板37为负极；当堵漏材料5带有正电极性时，第二电极板38为负极，第一电极板37为正极。

本发明提出的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置，其能够在不损伤土质堤坝工程的前提下，实现渗漏通道2的有效封堵，保证其长效安全服役，具有结构简单、便于操作、利于技术推广和科学研究的特点。

相应于上述一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置，本发明实施例还提供了一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复方法，该方法基于上述所述的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置实现，该方法包括以下步骤：

步骤S1：确定土质堤坝渗漏通道2的入渗口21和出渗口22。

步骤S2：在所述入渗口21处取原状土样开展室内颗粒分析试验，获得原状土样级配曲线，根据原状土样级配曲线确定原状土样的特征粒径和/>。

步骤S3：根据入渗口原状土样的参数，确定堵漏材料5的特征粒径满足黏粒含量不低于80%即≤0.005mm，控制粒径/>，中值粒径/>≤0.002mm，/>≤0.001mm，/>，将所述堵漏材料配置为含水率200%~300%的浆体。

步骤S4：将第一堵漏筒32插入所述入渗口21位置，第二堵漏筒33插入所述出渗口22位置，通过输浆管路42将确定好的堵漏材料5输送至所述第一堵漏筒32中，并开启第二搅拌器35进行搅拌，其中，堵漏材料5为含水率200%~300%的浆体。

步骤S5：开启供电设备31，通过第一电极板37和第二电极板38对第一堵漏筒32中的堵漏材料5施加电场，堵漏材料5在电场、水流以及自重作用下进入并封堵渗漏通道2，在堵漏过程中，第一电极板37始终与堵漏材料5接触，第二电极板38与汇集于所述第二堵漏筒33中的水体接触。

步骤S6：当第二堵漏筒33出现堵漏材料5时，继续进行封堵工作，取入渗口21和出渗口22处的土样开展室内试验，计算出渗口的临界水力比降，并统计出渗口和入渗口的细颗粒含量。

步骤S7：判断出渗口的临界水力比降、出渗口和入渗口的细颗粒含量是否均≥设定的阈值，若是，则堵漏完成，若否，则继续堵漏作业。

其中，在步骤S2中阐述了几种描述土颗粒几何条件的粒径参数，如、/>、/>、分别表示小于该粒径的土质量分别占总土质量80%、60%、50%、10%的颗粒粒径，/>也称为控制粒径，/>也称为中值粒径，/>也称为有效粒径。细颗粒是指粒径小于0.075mm的颗粒，黏粒是指粒径小于0.005mm的颗粒。同时，常用/>表示土颗粒间孔隙平均直径，其一般取为0.25/>。

其中，在步骤S4中，当第一堵漏筒32内浆状的堵漏材料5的液面下降较慢时，增大供电电压，促使堵漏材料5继续进入并封堵渗漏通道2。

其中，在步骤S6中，以流土型渗漏破坏为例，临界水力比降可采用下式计算：

，

式中，G_S表示土粒比重，n表示土体孔隙率，，ρ表示密度，w表示含水率。

其中，在步骤S6中，临界水力比降的阈值一般为1.5~2.0倍以上的计算水力比降，细颗粒含量的阈值为20%~35%。

其中，在步骤S6中，土质堤坝计算水力比降值可采用流网法、有限元法等方法计算获得，或根据设计规范如《堤防工程设计规范》（GB 50286）等相关规定计算获得。

下面通过具体的实施方式对本发明提出的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复方法进行详细的阐述。

某土坝试验模型，坝轴线长约1m，最大坝高0.5m，坝顶宽0.5cm，临水坡和背水坡坡比均为1:1。土坝底部为混凝土结构，坝体为黏土，黏土最大干密度1.78g/cm³，最优含水率15.5%，压实度控制为0.95。为了阐述本发明思想及步骤，同时亦为加快渗漏通道的形成，在填筑土坝模型时，人为预制一条渗漏通道，渗漏通道直径1cm，该渗漏通道采用粗砂和黏土为填筑料，粗砂和黏土质量比为1:1，拌合均匀。渗漏通道上游高河床0.15m，下游与河床相接。坝后量水堰高0.05m。土坝试验模型布置示意图见图6。模型上游蓄水深度为0.3m，蓄水2天后已形成较为稳定的渗漏通道。按照本发明提出的装置和方法进行封堵，具体包括以下步骤。

步骤S1：确定土质堤坝渗漏通道2的入渗口21和出渗口22，因是自制模型，可直观确定。

步骤S2：取入渗口21处的原状土样开展室内颗粒分析试验，获得原状土样级配曲线见图7所示，根据原状土样级配曲线确定原状土样的特征粒径为0.469mm，/>为0.3mm。

步骤S3：根据入渗口21原状土样的参数，确定堵漏材料5的特征粒径，其级配曲线见图8所示，其中为0.0043mm≤0.005mm，控制粒径/>为0.003mm≤/>=0.25×0.469=0.11725mm，中值粒径/>=0.0015mm≤0.002mm，/>为0.0004mm≤0.001mm，/>为0.0002mm≤/>=0.3mm。堵漏材料5为黏性土。

步骤S4：取5kg堵漏材料5，加入10kg纯净水，配置成含水率为200%的浆体。第一堵漏筒32和第二堵漏筒33均选用内径为10cm、壁厚5mm的有机玻璃硬质筒。将第一堵漏筒32插入所述入渗口21位置，第二堵漏筒33插入所述出渗口22位置。输浆管路42选用内径1cm的塑料软管，通过输浆管路42将确定好的堵漏材料5输送至所述第一堵漏筒32中，并开启第二搅拌器35进行搅拌。第一搅拌器43和第二搅拌器35均为实验室用小型搅拌器，转速1000r/min，最大功率300W，利用市电进行供电。

步骤S5：供电设备31为直流电源，最大电压800V，最大功率800W。第一电极板37和第二电极板38选用直径为9cm、厚度为1cm的紫铜片。开启供电设备31，通过第一电极板37和第二电极板38对第一堵漏筒32中的堵漏材料5施加电场，其中电场的电压设置为100V；堵漏材料5在电场、水流以及自重作用下进入并封堵渗漏通道2。

步骤S6：封堵工作开展3小时后，第二堵漏筒33出现堵漏材料5时，继续开展2小时的封堵工作。关闭供电设备31，取入渗口21和出渗口22处的土样开展室内试验。计算出渗口临界水力比降为0.92，计算参数及结果如表1所示，出渗口和入渗口土体级配曲线见图9，从图9中可以查出入渗口21和出渗口22细颗粒含量分别为34.5%和30.4%。

表1

步骤S7：根据《堤防工程设计规范》（GB 50286），获得计算水力比降为0.28，则其阈值为（1.5~2）*=0.42~0.56，设定细颗粒含量阈值为30%，出渗口临界水力比降、出渗口和入渗口细颗粒含量均≥设定的阈值，堵漏完成。

本发明所涉及的领域为堤坝等水利工程领域，对于借鉴本发明思想，并将其应用到如岩土工程、地基工程、环境工程等涉及封堵渗漏通道的其他领域时，并未偏离本发明的精神。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置，渗漏通道包括入渗口和出渗口，其特征在于：装置包括：

第一堵漏筒，其两端开口，所述第一堵漏筒设置于所述入渗口位置；

第二堵漏筒，其两端开口，所述第二堵漏筒设置于所述出渗口位置；

第一电极板，其设置于所述第一堵漏筒中，所述第一电极板具有至少一个通孔；

第二电极板，其设置于所述第二堵漏筒中；

输浆管路，其通过所述第一电极板上的通孔延伸进入所述第一堵漏筒中，所述输浆管路用于将堵漏材料输送至所述第一堵漏筒中；

其中，通过所述第一电极板和所述第二电极板对所述第一堵漏筒中的堵漏材料施加电场，所述堵漏材料在电场、水流以及自重作用下进入并封堵所述渗漏通道。

2.根据权利要求1所述的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置，其特征在于，还包括供电设备，所述供电设备连接所述第一电极板和第二电极板。

3.根据权利要求1或2所述的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置，其特征在于：还包括搅拌桶和第一搅拌器，所述搅拌桶连通所述输浆管路，所述搅拌桶上设置有第一搅拌器。

4.根据权利要求1或2所述的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置，其特征在于：还包括第二搅拌器，所述第一电极板具有第一通孔和第二通孔，所述输浆管路通过所述第一通孔延伸进入所述第一堵漏筒中，所述第二搅拌器设置于所述第一堵漏筒上，所述第二搅拌器具有搅拌轴，所述搅拌轴穿过所述第二通孔延伸进入所述第一堵漏筒中。

5.根据权利要求1或2所述的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置，其特征在于：还包括堵泥组件，所述堵泥组件设置于所述第二堵漏筒中。

6.根据权利要求1或2所述的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置，其特征在于：所述堵漏材料为一种带电胶体粒子，或由多种电性相同的胶体粒子组成的带电粒子。

7.根据权利要求6所述的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置，其特征在于：所述第一电极板的极性与所述第二电极板的极性相反，所述第一电极板的极性与所述堵漏材料的极性相同。

8.一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复方法，其特征在于：该方法基于如权利要求1-7任一项所述的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复装置实现，该方法包括：

确定土质堤坝渗漏通道的入渗口和出渗口；

在所述入渗口处取原状土样开展室内颗粒分析试验，获得原状土样级配曲线，根据原状土样级配曲线确定原状土样的特征粒径；

根据入渗口原状土样的参数，确定堵漏材料的特征粒径；

将第一堵漏筒插入所述入渗口位置，第二堵漏筒插入所述出渗口位置，通过输浆管路将堵漏材料输送至所述第一堵漏筒中；

开启供电设备，通过第一电极板和第二电极板对第一堵漏筒中的堵漏材料施加电场，堵漏材料在电场、水流以及自重作用下进入并封堵渗漏通道；

当第二堵漏筒出现堵漏材料时，继续进行封堵工作，取入渗口和出渗口处的土样开展室内试验，计算出渗口的临界水力比降，并统计出渗口和入渗口的细颗粒含量；

判断出渗口的临界水力比降、出渗口和入渗口的细颗粒含量是否均≥设定的阈值，若是，则堵漏完成，若否，则继续堵漏作业。

9.根据权利要求8所述的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复方法，其特征在于：在封堵过程中，第一电极板始终与堵漏材料接触，第二电极板与汇集于所述第二堵漏筒中的水体接触。

10.根据权利要求8所述的一种考虑级配的土质堤坝渗漏通道电法修复方法，其特征在于：在确定堵漏材料后，将所述堵漏材料配置为含水率200%~300%的浆体。