土石坝渗流及其控制措施研究

2021-01-18王光霞万书云马慧清

四川水泥 2021年1期

关键词：石坝坝基渗流

王光霞万书云马慧清

Research 研究探讨

土石坝渗流及其控制措施研究

王光霞1万书云2马慧清3

（1.淮安市淮安区渠南水利管理所，江苏淮安 223200； 2.淮安市金湖县水务局，江苏淮安 211600； 3.苏州市水利工程质量检测中心有限公司，江苏苏州 215300）

土石坝是水利工程中一种常用的挡水建筑物，土石坝的土料和坝基的砂砾都具有一定的透水性，因此土石坝的渗流问题就显得更为重要。本文在介绍了土石坝渗流原因及破坏形式的基础上，进一步提出土石坝渗流的控制措施。

土石坝；渗流；控制措施

0 引言

在土石坝工程设计中，要首先结合工程要求，进行必要的渗流分析，主要对土石坝渗流的原因进行重点分析，对存在的潜在的主要安全隐患提出合理的布设防渗措施，要保证对后续施工没有影响的情况下，施工才能有序开展。在研究土石坝渗流时，需要结合工程建设实际需求，还需要清楚土体结构特征以及水流特点，知道土层中的水流的运动规律。本文重点介绍土石坝渗流及其控制措施。

1 土石坝渗流的原因

首先，对于一般的土石坝以及其土石坝的基层填料都是一些散粒颗状体，例如，土料、沙砾等。这些填料的颗粒间都有一个孔隙率大的特点，所有具有较好的透水性。因此，当水库开始蓄水时，由于土石坝以及坝基的填料的孔隙较大，在水压力的作用下，水流会通过这些孔隙向下游渗透从而会造成坝身、绕坝及坝基的渗漏。对于渗流又分为正常渗流与异常渗流两种。若渗流在设计的可控范围内，渗流量必然在设计规范范围内且表现为稳流状态，此时渗流量一般不大，水质也比较清澈，含沙量较小，不会对石坝的坝身及坝基等填料造成破坏，此时为正常渗流；反之，若渗流较大，且渗水量比较集中，水质也较为浑浊、含沙量大，会对土坝的坝身及坝基会受到管涌、土料流失等渗透破坏。因此，这种对水库蓄水业的兴利产生影响的渗流称为异常渗流。

2 土石坝渗流分析

对于土石坝的渗流问题一般分为：渗流计算；渗透变形；渗流控制，这三个主要方面。而对于较为复杂的渗流问题，则需要更深刻理解其运行机理才能建立完善的数学模型从而得出有助于生产实践的结论。

2.1 渗流量计算

“渗流计算”作为渗流问题的三个主要方面之一。因此，渗流计算在土石坝的设计与运行管理中需要精细核对。而土石坝的设计一般包括：土石坝渗漏的损失计算、合理的防渗措施以及坝身和坝型的的断面尺寸计算等。这些因素可以通过对渗漏的计算来确定。在有已知定解条件下：初始条件、边界条件等。对于土石坝的渗流计算，理论上是可以通过求解渗流方程得出土石坝渗流场的水头分布，进而得出渗流量及渗流水力坡降系数等。

在当今关于土石坝的渗流计算常用方法主要有流体力学法、流网法、水力学法等。首先，对于流体力学方法由于其求解条件苛刻计算频繁复杂，只能运用于在土石坝边界分布较为简单的情况，因此，在工程上很少使用；相反，水力学法由于其简易的计算过程，虽说是一种近似求解方法，但其精确度在工程所需精度的可控下，在过去被广泛应用；流网法一般运用于土质和渗透系数相差不大的情况，其主要是通过求解流场内的某一点的渗流因素。

2.2 渗透变形

渗流变形顾名思义主要是渗流在机械水压力下，使得土石坝的坝身及坝基填料的土块等发生局部破坏的一种渗流问题。渗流变形类型一般有四种：流土、接触流土、接触冲刷和管涌。其变形的形式通常与土料的性质、水流条件、防渗和排渗措施等因素有关。

其中：α为修正系数，取0.95～1.0，

n 为土壤的孔隙率，

Pz 为粒径不大于2mm 细粒临界含量。

2.3 渗流控制

土石坝的渗流控制主要有两个方面：控制理论、控制技术。而渗流控制与渗透理论息息相关。渗透理论它主要包括渗流的的基本原理、土体的渗透稳定性和渗流场的分析方法三部分。而控制理论是渗流控制的理论知识，是渗透理论在工程实践的发展和运行时向实践反馈的结果；控制技术便是具体工程的实施应用的一种技术。例如，灌浆技术，反滤坝技术等，它的理论基础便是渗流理论。

3 土石坝渗流破坏形式

3.1 坝体渗流

常见的土石坝坝体渗流形式有两种：一种是下游坝面出现局部渗水；另一种是下游坝面出现集中渗漏。

当坝体渗透水量超过了允许范围，或渗流溢出点较高时，结果就会导致下游坝面沼泽化现象出现，同时坝体浸润面抬高，坝坡土体的抗剪强度亦随之衰减等问题，大大增加坝体产生滑坡或滑塌的可能性，此时极易出现坝面的渗水或散渗。集中渗漏的产生一般是在坝体内存在裂缝等薄弱层，在水库蓄水后，坝体内逐步形成渗漏通道[2]。

3.2 坝基渗漏

土石坝勘测时如发现坝基地质条件欠佳，设计和施工时应针对问题，采取清基、换填、灌浆等必要的工程处理措施。若设计、施工处理不当，清基不彻底或未采取必要的防渗措施，水库蓄水后，土石坝坝后地面及坝基容易产生膨胀、断裂和泡泉等渗漏现象，严重影响坝体的稳定性。

3.3 绕坝渗漏

绕坝渗漏与坝基渗漏相似，同样取决于地质条件。坝肩山体地质条件欠佳，存在裂隙、断层，或坝岸、溶洞连接部位处理措施不当等，均会导致绕坝渗漏。绕坝渗漏既会影响坝肩山体的安全，也会对坝基和坝体同时产生连带影响。

3.4 坝体与刚性建筑物接触处的渗漏

这类渗漏不像上述三种那样常见，它主要发生在坝端溢洪道的侧墙接触部位及坝下涵管与土体间的接触渗漏。在山区水库的建设中，通常会采用坝端溢洪道或坝下涵管形式，但是因为坝肩溢洪道侧墙与坝体连接处未做齿墙，或侧墙背面填土不实，渗径短，渗透坡降大。这样在两种不同介质面上发生的接触冲刷，十分容易形成管涌通道，给大坝安全埋下隐患。

4 土石坝渗流控制

4.1 渗流控制的原则

由于土石坝具有与渗流共存的保水结构，因此在控制土石坝的渗流时通常必须遵循以下控制原则：

（1）土石坝和两岸的基础和坝基在渗流控制、渗流直径、渗流梯度（平均梯度，逸出梯度）、渗透率（砾石、接触面）和渗流体积（尤其是水面积）方面的管理必须在可接受的范围内。岩石渗透控制应防止不渗透体的底部被岩石裂缝的渗透物冲刷。

（2）有效控制土坝渗流的方法主要是“前堵、中截、后排”，地基是“前延、中截、后压”。

（3）在土石坝的长期运行过程中，填料及其基础土的工程和机械性能已经发生了变化，所使用的计算和分析参数应该基于最近的研究和实验结果，应考虑压缩、穿透加固和破坏条件来分析;

（4）土石坝长时间与水接触，会造成相对稳固的入渗方式，应根据最不利的入渗场景进行设计。

（5）采取的防渗方法应充分运用现有的防渗、防污、排水措施，形成完整且不间断的防渗机制。

4.2 渗流控制具体技术措施

抑制土石坝渗流的措施基本上是增加渗流直径，使渗流梯度不超过容许梯度，以维持土石坝渗流的稳定性，适当的与排水措施想结合，既可以排水，又可以进一步减少下游大坝基础设施的剩余水头。

4.2.1大坝基础黏土覆盖

如果坝基中有严重的渗透，或者坝基中的不渗透层位于较深位置，他很难形成垂直屏障（或屏障槽），这种情况下应该使用粘土覆盖物覆盖以防止渗透，粘土覆盖物的长度是大坝前水深的3至5倍。上游段覆盖厚度通常为0.5 m或更大，与大坝的交界处通常为1-2 m或更大。如果没有足够的土壤物质覆盖，则可以使用土工膜作为覆盖物，但是需要将土壤物质散布在表面上以进行保护。

4.2.2防渗土工膜

倾斜墙（核心墙）覆盖物是在可渗透基础上建造土石坝的更常见的形式。当复合土工膜用作斜壁（芯墙）的不渗透材料时，主要在于复合土工膜的主膜，渗透系数通常为10-11至10-12 cm / s，远小于粘性土（K= 10-6至10-7 cm / s）和混凝土（K = 10-6至10-8 cm / s）的传输系数。另外，复合土工膜具有高弹性或塑性变形，可以适应由土壤沉降、膨胀和收缩、意外的过载、滑坡和渗漏引起的过度位移和变形。

4.2.3防渗帷幕

帷幕灌浆通常用于坝基岩石基础的防渗处理，不可渗透的帷幕可以利用水泥灌浆或化学灌浆。水泥浆是浆的常见形式。化学灌浆是将某些化学药品配制为溶液，而后将其倒入地层或缝隙中浸透、分散、凝胶化或固化，以增加层的强度，降低层的渗透性并防止渗透。这是对于混凝土建筑物地面变形和裂缝修复的加固技术。

4.2.4土壤不渗透体

防渗土是土石坝设计中使用率最高的防渗结构。不可渗透的物体通常充满粘土。粘性土由于其渗透系数低于土石坝壳材料，更容易形成阻碍，减少坝的渗漏和渗流压力，并控制渗流线在坝中的位置。使得渗透是稳定的。不能渗透土壤的物体通常分为粘土芯壁和粘土倾斜壁。设计的核心任务是确定可满足渗透率控制要求的岩心和倾斜壁的厚度。防渗体厚度的确定应基于坝体岩心墙材料的设计扬程和允许的水力梯度。