水利工程滲流破壞的認(rèn)識及小型水庫土石壩防滲措施

摘要：據(jù)統(tǒng)計，我國目前各類水庫大壩中土石壩占90%以上，土石壩事故中除了洪水漫壩是主要的垮壩類型外，其次就是滲流引起的破壞了，滲流是水在土體中運(yùn)動而產(chǎn)生的，通過浸潤、滲透，土體被水飽和、降低了抗剪強(qiáng)度，同時增加了動水壓力，導(dǎo)致土體產(chǎn)生不同程度的變形、崩塌、滑移。滲流破壞引起的垮壩事故不但在洪水期可以發(fā)生，在非洪水期也可以發(fā)生，即所謂的“晴天垮壩”，所以重新認(rèn)識滲流破壞很有必要，在下文中，作者從水利水電規(guī)范的角度對滲流的知識作了系統(tǒng)回顧，并對涉及滲流的小型土石壩建設(shè)及建后防治措施作了一定的總結(jié)，以供大家參考。

關(guān)鍵詞：水庫;滲流;土石壩;防滲;措施

一、滲透破壞的形式及形成機(jī)理

土的滲透破壞有四種形式：管涌、流土、接觸沖刷和接觸流土，無論是哪種形式的破壞，都表現(xiàn)為集中滲流，最終發(fā)展成為流土、管涌，沖刷周邊通道不斷坍塌、擴(kuò)大，管涌發(fā)展到一定程度，無法控制而最終垮壩。但對于不同土質(zhì)特征，有不同的的滲透破壞形式。

1、流砂（流土）

在向上的滲透水流作用下，表層土層范圍內(nèi)的土體或顆粒同時發(fā)生懸浮、移動，這就是流砂（土）。滲流方向是向上的，一般發(fā)生在地表或兩層土之間，不管是粗粒土還是粘性土均可能發(fā)生，多發(fā)生在顆粒級配均勻的飽和細(xì)粉砂和粉土中，如筑在雙層地基上的堤壩，地表層滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于下層無粘性土層（其K₁遠(yuǎn)小于K₂），當(dāng)?shù)乇韺觟>icr時就會發(fā)生地表隆起、砂粒涌出，發(fā)生流砂（土）。如上部有反濾壓重，其抗流土的能力提高大大提高。

2、管涌

在滲透水流的作用下，土中的細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動，流失的現(xiàn)象，這就是管涌。它是粗細(xì)顆粒間的相對運(yùn)動，隨著土中孔不斷擴(kuò)大，滲透速度不斷增加，較粗的顆粒也被水逐漸帶走，土體中形成貫通的滲流管道。粘性土一般不會發(fā)生管涌，管涌多發(fā)生在顆粒大小差別較大，缺少某種粒徑的砂性土中，沿滲流方向發(fā)生，不一定向上。

管涌是堤防滲流破壞的一種形式，由于汛期高水位時由于堤基下沙性透水層的存在，堤內(nèi)或堤基表面粘土層承受了較大的滲透壓力，如果水壓力持續(xù)增加，滲流出逸比降超出了土的臨界比降，滲透水流將沖破粘土層，將下面的粉砂、細(xì)砂帶出，通過反濾層降低管涌的破壞。

流砂和管涌是有區(qū)別的，流砂現(xiàn)象一般發(fā)生在土體表面滲流逸出處，不發(fā)生在土體內(nèi)部，而管涌更名可發(fā)生在滲透逸出處，也可發(fā)生在土體內(nèi)部。防治原則是，降低滲流出逸坡降，減少滲流壓力，增強(qiáng)壩體和地基土的抗?jié)B能力。

二、土的滲透變形判別方法

土的滲透變形分為四種：流土、管涌、接觸流土、接觸沖刷。滲透破壞的判別標(biāo)準(zhǔn)是滲透力是否大于土的抗?jié)B強(qiáng)度，因土體中細(xì)料含量起著重要作用，常用細(xì)料含量Pc作為主要判別指標(biāo)，根據(jù)水利水電工程相關(guān)規(guī)范，土的滲透判別主要采用有以下幾種方法：

1、根據(jù)土的細(xì)粒含量判別流土和管涌

Pc≥1/ [4（1-n）]×100% 時為流土

Pc<1/ [4（1-n）]×100% 時為管涌 其中Pc為細(xì)粒含量

2、對于不均勻系數(shù)Cu>5的不連續(xù)級配土，根據(jù)土的細(xì)粒含量采用以下方法：

Pc≥35%時為流土

25%≤Pc<35%時為過渡型

Pc<25%時為管涌，

其中：Cu為土的不均勻系數(shù)，Cu=d₆₀/d₁₀×100%，另：對于均勻的土（不均勻系數(shù)Cu≤5），一般為流土

3、根據(jù)臨界水力比降判別

①流土型：

臨界水力比降i_cr=（d_s-1）（1-n）

②管涌型或過渡型：

臨界水力比降i_cr=2.2（d_s-1）（1-n）² d₅/ d₂₀

③管涌型：

臨界水力比降i_cr=42d₃/（k/n³）^1/2

其中d_s 為土粒的相對密度，n為孔隙率（%）;d_3、d_5、d₂₀" 為小于該粒徑的含量占土總重量3%、5%、20%的顆粒粒徑。

4、接觸沖刷

對雙層結(jié)合的土不均勻系數(shù)C_u均≤10，且符合下列條件時，不會發(fā)生接觸沖刷：

D₁₀/d₁₀≤10

其中D₁₀、d₁₀代表較粗和較細(xì)土的顆粒粒徑，小于該粒徑土重占總重量的10%。

5、接觸流失

符合下列條件時將不會發(fā)生接觸流失

不均勻系數(shù)C_u≤5的土層：D₁₅/d₈₅≤5

其中D₁₅、d₈₅代表較粗和較細(xì)土的顆粒粒徑，小于該粒徑土重占總重量的15%和85%。

不均勻系數(shù)C_u≤10的土層：D₂₀/d₇₀≤7

其中D₂₀、d₇₀代表較粗和較細(xì)土的顆粒粒徑，小于該粒徑土重占總重量的20%和70%。

三、土石壩工程設(shè)計的防滲措施

土石壩防滲主要在建設(shè)設(shè)計階段，按土石壩設(shè)計相關(guān)規(guī)范，筑壩材料應(yīng)采用防滲土料，對均質(zhì)壩、心墻和斜墻材料的滲透系數(shù)有一定要求;選擇粘性好的防滲體填筑料，而對反濾料、過渡料及排水體料，則要求有一定的透水性。填筑施工對粘性土的壓實(shí)度及砂礫石的相對密度嚴(yán)格要求。

土石壩壩體設(shè)計時應(yīng)作壩基、壩體滲流控制，降低浸潤線和水滲透壓力，改變滲流方向，防止?jié)B流變形。壩基的滲流控制，對于砂礫石壩基可采用垂直防滲（包括混凝土防滲墻，粘土截水槽，灌漿帷幕），上游防滲鋪蓋，下游排水設(shè)備（采用水平排水墊層、反濾排水溝、排水減壓井、下游透水蓋重）三種形式;對于巖石壩基當(dāng)有較大透水?dāng)鄬?、破碎帶、軟弱夾層時，做好接觸面的表面處理，或采用灌漿、混凝土防滲墻、鋪蓋等處理措施，在防滲體、斷層和破碎帶處設(shè)置排水反濾設(shè)施。

壩體與土質(zhì)壩基和岸坡的連接，土質(zhì)防滲體應(yīng)在不透水的基壩上或經(jīng)防滲處理的壩基上，下游壩殼堆石處與壩基應(yīng)設(shè)反濾層。壩體與巖石壩基和岸坡的連接，土質(zhì)防滲體和反濾層宜與堅(jiān)硬、不沖蝕和可灌漿的巖石連接。

土質(zhì)防滲體與壩下涵管連接處擴(kuò)大防滲面，下游面與壩下涵管接觸處應(yīng)做好反濾層，將涵管包起來。

四、小型水庫土石壩滲流安全隱患及處理措施

土石壩安全監(jiān)測中重點(diǎn)監(jiān)測內(nèi)容為滲流監(jiān)測，項(xiàng)目包括滲流量、壩基滲流壓力、壩體滲流壓力和繞壩滲流，通過認(rèn)真細(xì)致的滲流監(jiān)測發(fā)現(xiàn)滲流安全隱患后，應(yīng)根據(jù)滲漏隱患部位、類型分析其成因與危害，綜合確定處置措施，總體來說，滲流安全隱患處置應(yīng)采取“上截下排，截排結(jié)合”的原則，同時兼顧壩基、壩體和繞壩滲漏處置措施的綜合利用。

小型水庫土石壩滲流安全隱患主要包括壩基滲漏、壩體滲漏、穿壩建筑物接觸滲漏及繞壩滲漏等，出現(xiàn)特征及處理措施如下：

1、壩基滲漏：當(dāng)出現(xiàn)壩基滲流量比正常時持續(xù)增加，滲流水體渾濁或細(xì)顆粒帶出，壩基土體塌陷、隆起等現(xiàn)象時。

處理措施。壩前防滲的處理：采取水平防滲或垂直防滲等截流措施，采取拋填粘土（袋）構(gòu)筑鋪蓋、鋪設(shè)土工膜、帷幕灌漿或設(shè)置防滲墻等措施。壩后排水反濾的處理：采取排水減壓井、濾層壓蓋、排水暗管或反濾軟圍井等措施。

2、壩體滲漏：當(dāng)出現(xiàn)上游壩坡塌陷，下游壩坡浸水量增加，有集中滲漏點(diǎn)，水質(zhì)渾濁或有細(xì)顆粒帶出，下游壩腳反濾體失效等現(xiàn)象時。

處理措施：上游可采取拋填粘土構(gòu)筑戧堤或鋪設(shè)土工膜，下游壩坡采取壩后設(shè)排水導(dǎo)滲溝或壩坡排水，反濾保護(hù)。

3、穿壩建筑物接觸滲漏：壩下（內(nèi)）埋管出口與壩體接觸部位、開敞式建筑物側(cè)墻與壩體連接部位、建筑物出口與壩體接觸部位，以上三個位置當(dāng)出現(xiàn)明顯滲流，水流呈泉狀涌出或出水渾濁;其次是出現(xiàn)壩下（內(nèi)）埋管因不均勻沉陷斷裂或止水破壞、建筑物進(jìn)、出口與壩體連接部位出現(xiàn)塌坑且土體濕軟等現(xiàn)象時。

處理措施：采取臨水堵截、下游側(cè)導(dǎo)滲、封閉圍堰等措施;情況嚴(yán)重時，應(yīng)降低庫水位直至出口滲流不明顯。

4、繞壩滲漏：當(dāng)出現(xiàn)壩體與岸坡結(jié)合部明顯漏水，土體表面隆起或有細(xì)顆粒帶出，出現(xiàn)塌坑等現(xiàn)象時。

處理措施：壩前采取拋填粘土（袋）構(gòu)筑鋪蓋、鋪設(shè)土工膜、帷幕灌漿或設(shè)置防滲墻等措施，壩后對滲流出口采取反濾保護(hù)措施。