土石壩滲流及其控制措施研究

王光霞 萬書云 馬慧清

Research 研究探討

土石壩滲流及其控制措施研究

王光霞1萬書云2馬慧清3

（1.淮安市淮安區(qū)渠南水利管理所，江蘇 淮安 223200； 2.淮安市金湖縣水務(wù)局，江蘇 淮安 211600； 3.蘇州市水利工程質(zhì)量檢測中心有限公司，江蘇 蘇州 215300）

土石壩是水利工程中一種常用的擋水建筑物，土石壩的土料和壩基的砂礫都具有一定的透水性，因此土石壩的滲流問題就顯得更為重要。本文在介紹了土石壩滲流原因及破壞形式的基礎(chǔ)上，進一步提出土石壩滲流的控制措施。

土石壩；滲流；控制措施

0 引言

在土石壩工程設(shè)計中，要首先結(jié)合工程要求，進行必要的滲流分析，主要對土石壩滲流的原因進行重點分析，對存在的潛在的主要安全隱患提出合理的布設(shè)防滲措施，要保證對后續(xù)施工沒有影響的情況下，施工才能有序開展。在研究土石壩滲流時，需要結(jié)合工程建設(shè)實際需求，還需要清楚土體結(jié)構(gòu)特征以及水流特點，知道土層中的水流的運動規(guī)律。本文重點介紹土石壩滲流及其控制措施。

1 土石壩滲流的原因

首先，對于一般的土石壩以及其土石壩的基層填料都是一些散粒顆狀體，例如，土料、沙礫等。這些填料的顆粒間都有一個孔隙率大的特點，所有具有較好的透水性。因此，當水庫開始蓄水時，由于土石壩以及壩基的填料的孔隙較大，在水壓力的作用下，水流會通過這些孔隙向下游滲透從而會造成壩身、繞壩及壩基的滲漏。對于滲流又分為正常滲流與異常滲流兩種。若滲流在設(shè)計的可控范圍內(nèi)，滲流量必然在設(shè)計規(guī)范范圍內(nèi)且表現(xiàn)為穩(wěn)流狀態(tài)，此時滲流量一般不大，水質(zhì)也比較清澈，含沙量較小，不會對石壩的壩身及壩基等填料造成破壞，此時為正常滲流；反之，若滲流較大，且滲水量比較集中，水質(zhì)也較為渾濁、含沙量大，會對土壩的壩身及壩基會受到管涌、土料流失等滲透破壞。因此，這種對水庫蓄水業(yè)的興利產(chǎn)生影響的滲流稱為異常滲流。

2 土石壩滲流分析

對于土石壩的滲流問題一般分為：滲流計算；滲透變形；滲流控制，這三個主要方面。而對于較為復(fù)雜的滲流問題，則需要更深刻理解其運行機理才能建立完善的數(shù)學(xué)模型從而得出有助于生產(chǎn)實踐的結(jié)論。

2.1 滲流量計算

“滲流計算”作為滲流問題的三個主要方面之一。因此，滲流計算在土石壩的設(shè)計與運行管理中需要精細核對。而土石壩的設(shè)計一般包括：土石壩滲漏的損失計算、合理的防滲措施以及壩身和壩型的的斷面尺寸計算等。這些因素可以通過對滲漏的計算來確定。在有已知定解條件下：初始條件、邊界條件等。對于土石壩的滲流計算，理論上是可以通過求解滲流方程得出土石壩滲流場的水頭分布，進而得出滲流量及滲流水力坡降系數(shù)等。

在當今關(guān)于土石壩的滲流計算常用方法主要有流體力學(xué)法、流網(wǎng)法、水力學(xué)法等。首先，對于流體力學(xué)方法由于其求解條件苛刻計算頻繁復(fù)雜，只能運用于在土石壩邊界分布較為簡單的情況，因此，在工程上很少使用；相反，水力學(xué)法由于其簡易的計算過程，雖說是一種近似求解方法，但其精確度在工程所需精度的可控下，在過去被廣泛應(yīng)用；流網(wǎng)法一般運用于土質(zhì)和滲透系數(shù)相差不大的情況，其主要是通過求解流場內(nèi)的某一點的滲流因素。

2.2 滲透變形

滲流變形顧名思義主要是滲流在機械水壓力下，使得土石壩的壩身及壩基填料的土塊等發(fā)生局部破壞的一種滲流問題。滲流變形類型一般有四種：流土、接觸流土、接觸沖刷和管涌。其變形的形式通常與土料的性質(zhì)、水流條件、防滲和排滲措施等因素有關(guān)。

其中：α為修正系數(shù)，取0.95～1.0，

n 為土壤的孔隙率，

Pz 為粒徑不大于2mm 細粒臨界含量。

2.3 滲流控制

土石壩的滲流控制主要有兩個方面：控制理論、控制技術(shù)。而滲流控制與滲透理論息息相關(guān)。滲透理論它主要包括滲流的的基本原理、土體的滲透穩(wěn)定性和滲流場的分析方法三部分。而控制理論是滲流控制的理論知識，是滲透理論在工程實踐的發(fā)展和運行時向?qū)嵺`反饋的結(jié)果；控制技術(shù)便是具體工程的實施應(yīng)用的一種技術(shù)。例如，灌漿技術(shù)，反濾壩技術(shù)等，它的理論基礎(chǔ)便是滲流理論。

3 土石壩滲流破壞形式

3.1 壩體滲流

常見的土石壩壩體滲流形式有兩種：一種是下游壩面出現(xiàn)局部滲水；另一種是下游壩面出現(xiàn)集中滲漏。

當壩體滲透水量超過了允許范圍，或滲流溢出點較高時，結(jié)果就會導(dǎo)致下游壩面沼澤化現(xiàn)象出現(xiàn)，同時壩體浸潤面抬高，壩坡土體的抗剪強度亦隨之衰減等問題，大大增加壩體產(chǎn)生滑坡或滑塌的可能性，此時極易出現(xiàn)壩面的滲水或散滲。集中滲漏的產(chǎn)生一般是在壩體內(nèi)存在裂縫等薄弱層，在水庫蓄水后，壩體內(nèi)逐步形成滲漏通道[2]。

3.2 壩基滲漏

土石壩勘測時如發(fā)現(xiàn)壩基地質(zhì)條件欠佳，設(shè)計和施工時應(yīng)針對問題，采取清基、換填、灌漿等必要的工程處理措施。若設(shè)計、施工處理不當，清基不徹底或未采取必要的防滲措施，水庫蓄水后，土石壩壩后地面及壩基容易產(chǎn)生膨脹、斷裂和泡泉等滲漏現(xiàn)象，嚴重影響壩體的穩(wěn)定性。

3.3 繞壩滲漏

繞壩滲漏與壩基滲漏相似，同樣取決于地質(zhì)條件。壩肩山體地質(zhì)條件欠佳，存在裂隙、斷層，或壩岸、溶洞連接部位處理措施不當?shù)?，均會?dǎo)致繞壩滲漏。繞壩滲漏既會影響壩肩山體的安全，也會對壩基和壩體同時產(chǎn)生連帶影響。

3.4 壩體與剛性建筑物接觸處的滲漏

這類滲漏不像上述三種那樣常見，它主要發(fā)生在壩端溢洪道的側(cè)墻接觸部位及壩下涵管與土體間的接觸滲漏。在山區(qū)水庫的建設(shè)中，通常會采用壩端溢洪道或壩下涵管形式，但是因為壩肩溢洪道側(cè)墻與壩體連接處未做齒墻，或側(cè)墻背面填土不實，滲徑短，滲透坡降大。這樣在兩種不同介質(zhì)面上發(fā)生的接觸沖刷，十分容易形成管涌通道，給大壩安全埋下隱患。

4 土石壩滲流控制

4.1 滲流控制的原則

由于土石壩具有與滲流共存的保水結(jié)構(gòu)，因此在控制土石壩的滲流時通常必須遵循以下控制原則：

（1）土石壩和兩岸的基礎(chǔ)和壩基在滲流控制、滲流直徑、滲流梯度（平均梯度，逸出梯度）、滲透率（礫石、接觸面）和滲流體積（尤其是水面積）方面的管理必須在可接受的范圍內(nèi)。巖石滲透控制應(yīng)防止不滲透體的底部被巖石裂縫的滲透物沖刷。

（2）有效控制土壩滲流的方法主要是“前堵、中截、后排”，地基是“前延、中截、后壓”。

（3）在土石壩的長期運行過程中，填料及其基礎(chǔ)土的工程和機械性能已經(jīng)發(fā)生了變化，所使用的計算和分析參數(shù)應(yīng)該基于最近的研究和實驗結(jié)果，應(yīng)考慮壓縮、穿透加固和破壞條件來分析;

（4）土石壩長時間與水接觸，會造成相對穩(wěn)固的入滲方式，應(yīng)根據(jù)最不利的入滲場景進行設(shè)計。

（5）采取的防滲方法應(yīng)充分運用現(xiàn)有的防滲、防污、排水措施，形成完整且不間斷的防滲機制。

4.2 滲流控制具體技術(shù)措施

抑制土石壩滲流的措施基本上是增加滲流直徑，使?jié)B流梯度不超過容許梯度，以維持土石壩滲流的穩(wěn)定性，適當?shù)呐c排水措施想結(jié)合，既可以排水，又可以進一步減少下游大壩基礎(chǔ)設(shè)施的剩余水頭。

4.2.1大壩基礎(chǔ)黏土覆蓋

如果壩基中有嚴重的滲透，或者壩基中的不滲透層位于較深位置，他很難形成垂直屏障（或屏障槽），這種情況下應(yīng)該使用粘土覆蓋物覆蓋以防止?jié)B透，粘土覆蓋物的長度是大壩前水深的3至5倍。上游段覆蓋厚度通常為0.5 m或更大，與大壩的交界處通常為1-2 m或更大。如果沒有足夠的土壤物質(zhì)覆蓋，則可以使用土工膜作為覆蓋物，但是需要將土壤物質(zhì)散布在表面上以進行保護。

4.2.2防滲土工膜

傾斜墻（核心墻）覆蓋物是在可滲透基礎(chǔ)上建造土石壩的更常見的形式。當復(fù)合土工膜用作斜壁（芯墻）的不滲透材料時，主要在于復(fù)合土工膜的主膜，滲透系數(shù)通常為10-11至10-12 cm / s，遠小于粘性土（K= 10-6至10-7 cm / s）和混凝土（K = 10-6至10-8 cm / s）的傳輸系數(shù)。另外，復(fù)合土工膜具有高彈性或塑性變形，可以適應(yīng)由土壤沉降、膨脹和收縮、意外的過載、滑坡和滲漏引起的過度位移和變形。

4.2.3防滲帷幕

帷幕灌漿通常用于壩基巖石基礎(chǔ)的防滲處理，不可滲透的帷幕可以利用水泥灌漿或化學(xué)灌漿。水泥漿是漿的常見形式?；瘜W(xué)灌漿是將某些化學(xué)藥品配制為溶液，而后將其倒入地層或縫隙中浸透、分散、凝膠化或固化，以增加層的強度，降低層的滲透性并防止?jié)B透。這是對于混凝土建筑物地面變形和裂縫修復(fù)的加固技術(shù)。

4.2.4土壤不滲透體

防滲土是土石壩設(shè)計中使用率最高的防滲結(jié)構(gòu)。不可滲透的物體通常充滿粘土。粘性土由于其滲透系數(shù)低于土石壩殼材料，更容易形成阻礙，減少壩的滲漏和滲流壓力，并控制滲流線在壩中的位置。使得滲透是穩(wěn)定的。不能滲透土壤的物體通常分為粘土芯壁和粘土傾斜壁。設(shè)計的核心任務(wù)是確定可滿足滲透率控制要求的巖心和傾斜壁的厚度。防滲體厚度的確定應(yīng)基于壩體巖心墻材料的設(shè)計揚程和允許的水力梯度。

5 結(jié)論

土石壩具有較好適應(yīng)地基變形的特性，且管理運行簡單、經(jīng)濟、方便，因此被廣泛采用；但是土石壩也有自身的不足，作為擋水建筑物，其滲流問題一直是個需要思考和解決的問題。為了解決土石壩滲流問題，需要遵循一定的滲流控制原則，需要對滲流原因具體分析以后，在以上多種放滲措施中選擇合適的滲流防滲措施。

[1]張凱倩.土石壩滲流分析及控制措施綜述[J].湖南水利水電,2013(05):30-32.

[2]丁樹云,蔡正銀.土石壩滲流研究綜述[J].人民長江,2008(02):33-36+108.

[3]王志光,趙曉萍.水利工程中土石壩滲透變形的成因及處理措施[J].吉林農(nóng)業(yè),2015(15):83.

[4]程聲龍.土石壩滲流破壞及其控制措施[J].黑龍江水利科技,2014,42(04):120-122.

王光霞(1978.4- )，女，漢族，江蘇淮安人，工程師，研究方向：工程管理、農(nóng)業(yè)水利工程。

萬書云（1976- ），女，江蘇金湖人，工程師，研究方向：水利工程建設(shè)管理。

戴衛(wèi)東（1968- ），男，江蘇昆山人，工程師，研究方向：農(nóng)業(yè)水利工程。

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1007-6344（2021）01-0323-02