郝雷，庄作义

（临沂市水利工程处，山东 临沂 276000）

0 引言

水库大坝运行期间可能会出现水力问题，从而威胁其安全。需要认真研究和切实解决的危险问题，例如渗流问题、高速流引起的冲刷和侵蚀、沉积物和碎屑堵塞出口设施，甚至堵塞出口结构（如溢洪道）的闸门。通过总结水库大坝渗流问题，预防水库大坝出现问题。

1 水力问题引起的水库大坝破坏统计

据水利部国外合作组织ICOLD（国际水库大坝委员会）发布了关于水库大坝故障和事故的详细记录。这些记录显示，在20世纪，大型水坝的建设迅速增加。从给定的统计数据可以看出，到1950年为止，全世界只建造了约5 000座水库大坝，但到20世纪末，大型水坝的数量达到了约45 000座。引进的严格的安全规则和条例，加上设计和施工领域开发的新技术和创新，使水库大坝失事率从1995年前的2.20%降至现在的0.50%。目前，大多数现有水库大坝是土石坝，占世界上所有水库大坝的77%，其中64%是填土坝，13%是堆石坝，混凝土坝和其他类型的水库大坝构成其余32座。因此，从图1中可以观察到，水力土石坝的破坏案例数量远远超过其他土石坝的失效案例。上述统计数据可以分析出，与混凝土坝相比，迄今为止建造的大多数水库大坝都是土石坝。此外，与混凝土坝相比，土石坝由于其自身的特性建筑材料和相对较弱的基础对水力问题更为敏感。

图1 不同类别和高度水库大坝的事故次数图

在总共136 座大型水坝的破坏中，有121 座是由于水力问题造成的，这些水库大坝覆盖了广泛的使用时间、施工技术和地基条件。表1 显示了不同失效模式下的土石坝失效统计数据。这些统计数据表明，管涌的故障是土石坝所有事故中最常见的，所有管涌事故中有一半与穿过坝体或坝基的管道有关。此外，通过路堤的管涌事故有近50%发生在首次填筑期间，64%发生在运行的前5年内。对于穿过地基的管涌，近25%的故障发生在首次填筑期间，75%发生在运行的前5年内。不难发现，如果水库大坝施工不良或存在缺陷，第一次填筑就可能会暴露这些缺陷。另一部分水库大坝的管涌事故可能会缓慢发展，如岩溶地基的内部侵蚀。

表1 土石坝事故总结表

2 土石坝渗流问题

所有的土石坝都有一定的渗漏，由于水库中的水通过坝体及其基础寻找阻力最小的路径，可能会对水库大坝安全造成一些危害。如果处理和控制不当，渗流可能导致水库大坝溃决。如果允许大量渗流继续不受阻碍，则渗透力可能会侵蚀细土颗粒，并将其冲出，导致水库大坝在内部侵蚀过程中管涌破裂，或产生隆起问题。因此，渗流可能被视为土石坝最常见的事故，许多土石坝的失效记录在水库大坝失效登记册中。应在设计阶段对此类危险进行防护，如果在水库大坝寿命期内出现，则必须仔细调查该情况，并应尽早采取必要的补救措施，以防止其发展为破坏条件。通过坝体的渗流可能出现在下游面、坝趾上方或下游桥台的任何位置。在这种情况下，应降低潜水面，以将其出口点限制在坝体内。

对于不透水地基上均质坝的最简单情况，图2给出了在不使用任何降低潜水面的措施的情况下，通过坝体的渗流情况。

图2 土石坝渗流示意图

在这种类型的水库大坝中，当水库水位较高且孔隙压力也较高时，下游边坡存在坍塌和内部侵蚀的危险，从而导致破坏。水库的快速抽水和上游边坡饱和也会发生同样的情况。两个斜坡可能必须非常平坦，以避免此类情况，或在坡脚处添加过滤器，或在下游的基底内铺设排水层或排水毯。最后一种选择是在水库大坝内添加垂直排水沟，以拦截坝体内的潜水面，然后以安全的方式从下游释放渗水。水库大坝的安全风险随着高度和蓄水量的增加而增加，就渗流而言，目前的设计程序要求将渗流最小化并限制其危害，而不是完全消除它。

建造大型水坝的需要导致了分区填水坝的发展，其中可以使用不同类型的土壤材料并以防止渗漏的方式放置。首先，中间的不透水岩芯可以是粘土，也可以是混凝土或沥青混凝土，将作为主要的防渗措施。在岩芯的上游和下游侧，还应设计过滤区，以防止地震、沉降或水力压裂造成的岩芯裂缝中的任何残余渗流或泄漏。因此，可以说，设计理念已经转变为控制渗流，降低潜水表面的饱和度，并通过加入排水设施来最小化渗流量，从而允许更陡的斜坡，从而建造更高的水坝。

3 混凝土坝渗流问题

渗流问题在混凝土坝的安全考虑中具有特殊重要性。它们通常会受到各种影响，这些影响与它们的安全运行有关，例如：基础变形、材料强度、可靠性和老化。然而，渗流除了自身的负面作用外，渗流对混凝土坝安全的不利影响主要来自坝基上的扬压力，而坝基渗流很容易产生扬压力。扬压力会降低水库大坝的抗滑力，从而影响水库大坝的稳定如图3 所示。此外，混凝土坝和砌石坝可能会受到渗透水通过坝体的一种或多种方式的影响。它可能通过水库大坝本身的裂缝渗透，从而导致其材料浸出，并形成薄弱面。通过地基的渗流除了影响水库大坝的滑动稳定性外，还可能导致其材料的内部侵蚀。渗流可能造成的三种负面影响来源：①水库大坝渗透压力表现为坝基的扬压力和坝体内部的渗透压力。两者都是由渗流引起的，对水库大坝的稳定性、变形和应力都有一定的影响。②水库大坝渗漏导致水将细颗粒带出坝体，形成渗流通道，危及水库大坝的稳定。③上游蓄水不仅会渗入坝体和坝基，还会在水库大坝两端的岸坡周围向下渗透。

图3 混凝土坝渗流示意图

4 防渗措施

①采用粘土芯、隔水膜、基础灌浆帷幕等方法减少渗流量。②采取过滤措施来防止土壤颗粒在渗透力的作用下移动。③在大坝施工中尽量避免使用粉质粘土或粉质材料。④使用排水方法来缓解渗透压力，如垂直排水管和排水沟，或基础内自流条件下的减压井。⑤避免水库大坝的不均匀沉降的情况，以防产生应力集中区导致大坝开裂。必须对施工程序进行控制，以避免水力裂缝、拱起。大坝内部尽量避免形成渗流通道，不在坝基处使用低密度压实填料，这些都可能产生分离表面或渗流通道，并在水头作用下对大坝造成侵蚀。⑥混凝土重力坝中混凝土块间的接头紧密，以防止水渗透，冻融条件下可能会进一步扩大，破坏大坝的整体稳定性。⑦自流条件下的基础排水可通过土坝下游的排水沟完成，用以降低扬压力。混凝土重力坝中采用减压井来达到相同的效果，混凝土重力坝坝身下也有排水幕，其中的渗透水收集在排水廊道中。土石坝和混凝土坝中，设置灌浆帷幕降低水头，提升基础抵抗渗流能力。