土壩主要滲透破壞控制措施研究

曹建宇

摘 要：該文基于筆者多年從事土壩防滲的相關研究，以土壩防滲措施及其特性為研究對象，論文首先分析了土壩常見滲透破壞的類型，進而唐濤了主要滲透破壞控制措施，最后探討了防滲體的耐久性分析，全文是筆者工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：土壩 防滲措施 特性 耐久性

中圖分類號：TV642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（c）-0104-02

水庫蓄水后，要通過壩體、壩基和壩的兩岸產生滲流，若滲流是在設計控制之下，壩任何部位的土體都不會發生滲透破壞，則為正常滲流；反之，能引起土體滲透破壞，或滲流量過大而影響蓄水興利的滲流，則為異常滲流。在土壩運行中，允許正常滲流存在，而對異常滲流，則必須采取措施，以避免事故的發生。現有的防滲措施主要有水平防滲、垂直防滲和壩后排滲，均是從材料的滲透性和抗滲強度兩方面來設計防滲體，但忽略了防滲體的耐久性（使用壽命），致使許多工程防滲處理后不久就出現了新的異常滲漏現象。造成防滲體耐久性差的原因主要是：防滲材料存在滲透性，滲流對防滲材料有溶蝕、攜帶、沖刷作用，致使材料性能逐漸降低，最后失去防滲性能，防滲體失效時間與材料的防滲性、耐久性有直接關系。

1 土壩常見滲透破壞類型

一般將滲流險情歸為散浸、流土、管涌等。散浸反映了壩身填土質量的問題；流土是由于壩后地層為二元結構造成的；管涌泛指基礎的滲透破壞。壩身的滲透破壞形式有：散浸、清渾水滲漏、接觸沖刷和內脫坡等。其直接原因是壩身填土土質差（滲透性大）、結構疏松、沒處理好歷次加培土結合部和生物活動及擾動造成的隱患，壩身險情相對而言較容易處理。壩基的滲透破壞一般為管涌和流土，其表現形式多為翻砂冒水、泡泉、砂沸、土層隆起、浮動、膨脹、斷裂等。滲透變形的發生一般與庫水位的高低、地質條件、土體的滲流特性等因素密切相關，背水側壩基的滲透出逸比降一旦超過壩基的抗滲臨界比降就會產生滲透破壞，這在所有滲透險情中是最危險的。

2 主要滲透破壞控制措施

滲透破壞的處理主要是改變地基內的滲流場或土層分布，以達到降低滲透壓力，提高抗滲能力，從而滿足工程安全需要的目的。一般從兩方面入手，1）提高壩身和壩基本身抵抗滲透破壞的能力，如采取提高壩身密實度、消除壩身壩基隱患、放緩邊坡、貼坡排水、透水戧臺或蓋重等措施；2）降低滲流的破壞能力，即降低滲流出口比降和壩身的浸潤線。一般采用“前堵中壓后排”滲流控制原則，并根據工程地質條件、 出險情況和壩的重要程度選擇合理科學的滲流控制措施。（圖1）

2.1 水平鋪蓋防滲

用于相對不透水層埋藏較深、透水層較厚且迎水側有較寬闊河床的壩基，迎水側設置鋪蓋的長度應通過計算確定，所用的材料有粘土、復合土工膜、編織涂膜土工布等。其作用機理是通過足夠的水平鋪蓋長度，減小上游入滲和延長水平滲透路徑，降低水力坡降，減緩滲透破壞的發生。該方法對垂直方向的滲流影響甚微，只能作為壩身防滲處理的方法，單獨使用一般很難達到防滲的目的。

2.2 垂直防滲

垂直防滲特別適用于淺層透水地基， 可以形成封閉防滲體系，也可用于地層下不深處有一層相對隔水層（其下仍為較厚的透水土層），可以形成半封閉式防滲體系。

采用垂直防滲方案時，常把壩基和壩身的防滲體系統一施工。對于無相對隔水層的懸掛式防滲體，防滲效果往往不明顯，因此不宜單獨采用。垂直防滲技術按其作用機理，分為置換、填充、擠密、固結和化學作用等；按成墻原理可分為置換、灌注兩大類；按墻體材料又可分為剛性材料和柔性材料。

目前國內外采用較多的建造垂直防滲體方法簡述如下。

（1）射水法。該方法是利用高壓水作為成槽器具，通過布置于成槽器上的一組噴嘴，以高壓高速水流使得地層沖蝕、剝落從而成槽，同時使成槽器上下沖擊以修整槽壁，在施工形成的槽段內，澆注混凝土，形成一系列的混凝土槽段，先施工一段槽，再施工第二段槽，兩段槽連結成一個完整的防滲墻。（2）鋸槽法。該方法是用一種類似于鋸條的“刀桿”對地層模仿拉鋸的動作進行切削，將切削的土屑排出地面，從而形成槽孔。該技術可用于建造剛性/柔性防滲墻，也可用于鋪設土工膜。適用于黏土、粉質黏土以及夾礫石砂層。（3）抓斗法。該工法利用改進的液壓抓斗進行薄壁墻成槽施工，可適用于任何地層，施工深度較大。成槽寬度30 cm，墻體深度可達35 m。可采用分序施工成墻技術，成槽后可建造剛性/柔性墻，所成墻體的結合性較好，施工效率高。（4）鏈鋸法。該工法的原理是利用鏈條傳遞動力，在鏈條的鉸鏈處設計能切削土體的刀片，與鋸槽法的區別在于棄渣方式，鏈鋸法是利用挖土器具將土體排出地面，無需循環泥漿，具有減少場地地面污染的優點。（5）深層攪拌法。該方法是利用特制的多頭小直徑深層攪拌樁機把水泥漿噴入土體并攪拌成水泥土，水泥土固化后形成水泥土墻，從而達到截滲目的。（6）板樁灌注法。板樁灌注墻為擠密填充型防滲墻，墻體材料可以是柔性水泥砂漿或水泥粉煤灰砂漿等。（7）TRD工法。該工法為日本研制，原理類似于鋸槽法，先將旋轉的齒盤插入地層中，利用齒盤上齒刀進行縱向移動，沿著橫向方向切削地層，切削后土體隨切削刀具的運轉上下翻騰，與注入的水泥漿攪拌均勻，形成水泥土地下連續墻。（8）高壓噴射灌漿法。該方法利用高壓噴射的水、氣或漿液介質沖刷切割土體，同時流體使得漿液與土體顆粒摻攪形成防滲墻體。（9）土砂固結法。該方法直接利用固結劑與壩體土砂混合形成復合墻體，從而達到防滲的目的。該技術是隨著不同性能固結劑的出現而新興的防滲堵漏技術，適用于低水頭壩基礎處理，受制于地層和固結劑的滲透特性。（10）劈裂灌漿法。該方法是用一定的灌漿壓力，將壩體沿壩軸線方向劈裂，再灌注合適的泥漿，形成鉛直連續的防滲墻。（11）板樁墻法。板樁材質可以選用木材、鋼或者鋼筋混凝土。原理是將板樁按一定順序打入土中，使各個板樁之間互相連鎖，最終形成一個嚴密的連續板樁墻防滲體系。（12）振動沉模防滲板墻法。該法利用強力振動原理將空腹模板沉入土中，向空腹內注滿漿液，邊振動邊拔模，漿液留于槽孔中形成單塊板墻，單板連接即可成連續防滲板墻帷幕。解決了國外同樣原理技術尚未解決的槽孔間夾泥和下部開叉的弊端。該法適用于砂土、砂性土、黏性土、淤泥質土及砂礫石地層。該方法技術先進，質量可靠，工效高，造價低，工藝簡單，設備性能穩定。endprint

2.3 背水坡壓重

蓋重是在背水坡進行壓重從而抑制壩基滲透變形的有效措施，對覆蓋層較薄，而壩基滲透壓力較大的壩段效果明顯。結合壩內平臺采用，使壩后近壩腳處可能由于壩體和壩基土質不良而發生滲透破壞的程度減小。當相對不透水層埋藏較深，透水層較厚，臨水側又無穩定灘地時亦常采用壓滲蓋重處理、延伸蓋重或者防滲綜合處理。該方法簡單易行，而且在背水側亦可同時為交通及防汛搶險提供工作平臺。壓填料最好選用透水材料。廣泛使用的吹填法和自流放淤法，都十分成功。這種方法不僅工效高、造價低，而且充分利用了水砂資源，變害為利。

2.4 背水坡的導滲和排滲

背水坡的導滲和排滲措施主要有貼坡排水，水平褥墊排水，后戧臺排水以及減壓井（溝）等型式。排水常與其他滲控措施（如壓滲、防滲等）配合使用。當壩后有蓋重壓滲時，排滲溝應設在蓋重的末端。導滲多用明溝和伸入壩內的暗溝等方式。它可用于覆蓋土層較薄（小于3 m）的情況。

3 防滲體的耐久性分析

隨著新技術、新工藝、新設備的發展，防滲措施層出不窮，為土壩防滲加固設計方案提供了較大的選擇空間。但由于在設計中主要考慮防滲措施的抗滲透力和滲透性，而忽略了其使用壽命，致使許多工程防滲加固完成后，效果非常明顯，但工程運行一段時期后，滲漏問題又重新出現，甚至造成較嚴重的安全隱患。

如水平鋪蓋的材料一般為黏土和土工織物，適應地形變形的能力差，容易出現裂縫或土工織物撕裂，又形成新的集中滲漏，特別是加固前后滲漏狀態發生了改變，壩前由整體面漏變為集中點滲漏，滲水向下游逐漸散開，不容易被發現，一旦出現塌坑，給予搶險的時間較短，容易出現潰壩隱患。壩后排水和排滲是處理壩的異常滲漏的有效方法之一，但由于反濾層容易被淤堵，開始效果較好，運行一段時間后就容易失效。由于防滲體的耐久性差，上述兩種方法已經成為壩體防滲的輔助措施。垂直防滲因其防滲性能好，施工設備和施工工藝先進，現為土壩防滲加固的主流方案，但墻體接縫質量和墻體傾斜控制是防滲措施成敗的關鍵，一旦施工質量沒有保證，較容易出現壩基的集中滲漏，造成壩體破壞，大大降低防滲體的使用壽命。

在垂直防滲措施中，防滲體分叉造成集中滲漏是防滲體耐久性差的主要體現，以壤土心墻砂殼壩為例進行分析，該壩上下游水頭差14.0 m。由于壩基清基不徹底，壩基滲漏嚴重，滲透坡降值為0.43，單寬滲漏量1.38×10-3 m3/s，滲漏壩段按100 m計算，壩基總滲漏量0.138 m3/s。由于該壩滲漏嚴重，采取塑性混凝土防滲墻進行防滲處理，經計算，加固后的壩基滲漏量幾乎為零，防滲效果顯著。施工完成后，經檢測，防滲墻存在分叉現象。由于防滲墻的分叉，造成墻體局部不連續，其分叉部位的滲透坡降由加固前的0.43增大到加固后的1.57，使加固后的滲透坡降明顯大于壩基砂的臨界坡降，產生局部滲透破壞，且局部滲流量由0.28×10-3 m3/s·m2增大到1.1×10-3 m3/s·m2，但是壩基總滲漏量由0.138 m3/s減小到0.0011 m3/s。雖從外觀看，防滲效果比較明顯，但由于局部的缺陷，防滲體逐漸破壞，致使防滲體的耐久性大打折扣。

通過實踐證明，以上各種防滲措施方案從技術上是切實可行的，但由于種種原因，運行幾年后又出現了新的滲漏問題， 主要原因是在方案的選取上缺少耐久性的評價。因此，為避免類似情況的發生，建議在選擇防滲體設計方案時，不但要考慮防滲體的承載能力，還要考慮防滲體是否具備足夠的耐久性。另外為提高防滲體的防滲效果，在防滲體施工時，要加強施工檢測和隱患探測，消除防滲體缺陷，提高其使用壽命。

參考文獻

[1] 高勤生.混凝土防滲墻在石頭河水庫右壩肩防滲加固中的應用[J].防滲技術，2002（3）.

[2] 朱愛莉，郭久賢.橫山水庫大壩防滲加固設計[J].水利建設與管理，2003（2）.

[3] 譚興藝.混凝土防滲墻施工技術在水庫除險加固中的應用[J].技術與市場，2010（9）.

[4] 林運魁.混凝土防滲墻技術在徐聞縣中小型水庫除險加固中的應用[J].科學之友，2011（12）.

[5] 盧樹義.寒山水庫土壩高壓噴射灌漿施工質量控制[J].企業科技與發展，2011（14）.endprint

2.3 背水坡壓重

蓋重是在背水坡進行壓重從而抑制壩基滲透變形的有效措施，對覆蓋層較薄，而壩基滲透壓力較大的壩段效果明顯。結合壩內平臺采用，使壩后近壩腳處可能由于壩體和壩基土質不良而發生滲透破壞的程度減小。當相對不透水層埋藏較深，透水層較厚，臨水側又無穩定灘地時亦常采用壓滲蓋重處理、延伸蓋重或者防滲綜合處理。該方法簡單易行，而且在背水側亦可同時為交通及防汛搶險提供工作平臺。壓填料最好選用透水材料。廣泛使用的吹填法和自流放淤法，都十分成功。這種方法不僅工效高、造價低，而且充分利用了水砂資源，變害為利。

2.4 背水坡的導滲和排滲

背水坡的導滲和排滲措施主要有貼坡排水，水平褥墊排水，后戧臺排水以及減壓井（溝）等型式。排水常與其他滲控措施（如壓滲、防滲等）配合使用。當壩后有蓋重壓滲時，排滲溝應設在蓋重的末端。導滲多用明溝和伸入壩內的暗溝等方式。它可用于覆蓋土層較薄（小于3 m）的情況。

3 防滲體的耐久性分析

隨著新技術、新工藝、新設備的發展，防滲措施層出不窮，為土壩防滲加固設計方案提供了較大的選擇空間。但由于在設計中主要考慮防滲措施的抗滲透力和滲透性，而忽略了其使用壽命，致使許多工程防滲加固完成后，效果非常明顯，但工程運行一段時期后，滲漏問題又重新出現，甚至造成較嚴重的安全隱患。

如水平鋪蓋的材料一般為黏土和土工織物，適應地形變形的能力差，容易出現裂縫或土工織物撕裂，又形成新的集中滲漏，特別是加固前后滲漏狀態發生了改變，壩前由整體面漏變為集中點滲漏，滲水向下游逐漸散開，不容易被發現，一旦出現塌坑，給予搶險的時間較短，容易出現潰壩隱患。壩后排水和排滲是處理壩的異常滲漏的有效方法之一，但由于反濾層容易被淤堵，開始效果較好，運行一段時間后就容易失效。由于防滲體的耐久性差，上述兩種方法已經成為壩體防滲的輔助措施。垂直防滲因其防滲性能好，施工設備和施工工藝先進，現為土壩防滲加固的主流方案，但墻體接縫質量和墻體傾斜控制是防滲措施成敗的關鍵，一旦施工質量沒有保證，較容易出現壩基的集中滲漏，造成壩體破壞，大大降低防滲體的使用壽命。

在垂直防滲措施中，防滲體分叉造成集中滲漏是防滲體耐久性差的主要體現，以壤土心墻砂殼壩為例進行分析，該壩上下游水頭差14.0 m。由于壩基清基不徹底，壩基滲漏嚴重，滲透坡降值為0.43，單寬滲漏量1.38×10-3 m3/s，滲漏壩段按100 m計算，壩基總滲漏量0.138 m3/s。由于該壩滲漏嚴重，采取塑性混凝土防滲墻進行防滲處理，經計算，加固后的壩基滲漏量幾乎為零，防滲效果顯著。施工完成后，經檢測，防滲墻存在分叉現象。由于防滲墻的分叉，造成墻體局部不連續，其分叉部位的滲透坡降由加固前的0.43增大到加固后的1.57，使加固后的滲透坡降明顯大于壩基砂的臨界坡降，產生局部滲透破壞，且局部滲流量由0.28×10-3 m3/s·m2增大到1.1×10-3 m3/s·m2，但是壩基總滲漏量由0.138 m3/s減小到0.0011 m3/s。雖從外觀看，防滲效果比較明顯，但由于局部的缺陷，防滲體逐漸破壞，致使防滲體的耐久性大打折扣。

通過實踐證明，以上各種防滲措施方案從技術上是切實可行的，但由于種種原因，運行幾年后又出現了新的滲漏問題， 主要原因是在方案的選取上缺少耐久性的評價。因此，為避免類似情況的發生，建議在選擇防滲體設計方案時，不但要考慮防滲體的承載能力，還要考慮防滲體是否具備足夠的耐久性。另外為提高防滲體的防滲效果，在防滲體施工時，要加強施工檢測和隱患探測，消除防滲體缺陷，提高其使用壽命。

參考文獻

[1] 高勤生.混凝土防滲墻在石頭河水庫右壩肩防滲加固中的應用[J].防滲技術，2002（3）.

[2] 朱愛莉，郭久賢.橫山水庫大壩防滲加固設計[J].水利建設與管理，2003（2）.

[3] 譚興藝.混凝土防滲墻施工技術在水庫除險加固中的應用[J].技術與市場，2010（9）.

[4] 林運魁.混凝土防滲墻技術在徐聞縣中小型水庫除險加固中的應用[J].科學之友，2011（12）.

[5] 盧樹義.寒山水庫土壩高壓噴射灌漿施工質量控制[J].企業科技與發展，2011（14）.endprint

2.3 背水坡壓重

蓋重是在背水坡進行壓重從而抑制壩基滲透變形的有效措施，對覆蓋層較薄，而壩基滲透壓力較大的壩段效果明顯。結合壩內平臺采用，使壩后近壩腳處可能由于壩體和壩基土質不良而發生滲透破壞的程度減小。當相對不透水層埋藏較深，透水層較厚，臨水側又無穩定灘地時亦常采用壓滲蓋重處理、延伸蓋重或者防滲綜合處理。該方法簡單易行，而且在背水側亦可同時為交通及防汛搶險提供工作平臺。壓填料最好選用透水材料。廣泛使用的吹填法和自流放淤法，都十分成功。這種方法不僅工效高、造價低，而且充分利用了水砂資源，變害為利。

2.4 背水坡的導滲和排滲

背水坡的導滲和排滲措施主要有貼坡排水，水平褥墊排水，后戧臺排水以及減壓井（溝）等型式。排水常與其他滲控措施（如壓滲、防滲等）配合使用。當壩后有蓋重壓滲時，排滲溝應設在蓋重的末端。導滲多用明溝和伸入壩內的暗溝等方式。它可用于覆蓋土層較薄（小于3 m）的情況。

3 防滲體的耐久性分析

隨著新技術、新工藝、新設備的發展，防滲措施層出不窮，為土壩防滲加固設計方案提供了較大的選擇空間。但由于在設計中主要考慮防滲措施的抗滲透力和滲透性，而忽略了其使用壽命，致使許多工程防滲加固完成后，效果非常明顯，但工程運行一段時期后，滲漏問題又重新出現，甚至造成較嚴重的安全隱患。

如水平鋪蓋的材料一般為黏土和土工織物，適應地形變形的能力差，容易出現裂縫或土工織物撕裂，又形成新的集中滲漏，特別是加固前后滲漏狀態發生了改變，壩前由整體面漏變為集中點滲漏，滲水向下游逐漸散開，不容易被發現，一旦出現塌坑，給予搶險的時間較短，容易出現潰壩隱患。壩后排水和排滲是處理壩的異常滲漏的有效方法之一，但由于反濾層容易被淤堵，開始效果較好，運行一段時間后就容易失效。由于防滲體的耐久性差，上述兩種方法已經成為壩體防滲的輔助措施。垂直防滲因其防滲性能好，施工設備和施工工藝先進，現為土壩防滲加固的主流方案，但墻體接縫質量和墻體傾斜控制是防滲措施成敗的關鍵，一旦施工質量沒有保證，較容易出現壩基的集中滲漏，造成壩體破壞，大大降低防滲體的使用壽命。

在垂直防滲措施中，防滲體分叉造成集中滲漏是防滲體耐久性差的主要體現，以壤土心墻砂殼壩為例進行分析，該壩上下游水頭差14.0 m。由于壩基清基不徹底，壩基滲漏嚴重，滲透坡降值為0.43，單寬滲漏量1.38×10-3 m3/s，滲漏壩段按100 m計算，壩基總滲漏量0.138 m3/s。由于該壩滲漏嚴重，采取塑性混凝土防滲墻進行防滲處理，經計算，加固后的壩基滲漏量幾乎為零，防滲效果顯著。施工完成后，經檢測，防滲墻存在分叉現象。由于防滲墻的分叉，造成墻體局部不連續，其分叉部位的滲透坡降由加固前的0.43增大到加固后的1.57，使加固后的滲透坡降明顯大于壩基砂的臨界坡降，產生局部滲透破壞，且局部滲流量由0.28×10-3 m3/s·m2增大到1.1×10-3 m3/s·m2，但是壩基總滲漏量由0.138 m3/s減小到0.0011 m3/s。雖從外觀看，防滲效果比較明顯，但由于局部的缺陷，防滲體逐漸破壞，致使防滲體的耐久性大打折扣。

通過實踐證明，以上各種防滲措施方案從技術上是切實可行的，但由于種種原因，運行幾年后又出現了新的滲漏問題， 主要原因是在方案的選取上缺少耐久性的評價。因此，為避免類似情況的發生，建議在選擇防滲體設計方案時，不但要考慮防滲體的承載能力，還要考慮防滲體是否具備足夠的耐久性。另外為提高防滲體的防滲效果，在防滲體施工時，要加強施工檢測和隱患探測，消除防滲體缺陷，提高其使用壽命。

參考文獻

[1] 高勤生.混凝土防滲墻在石頭河水庫右壩肩防滲加固中的應用[J].防滲技術，2002（3）.

[2] 朱愛莉，郭久賢.橫山水庫大壩防滲加固設計[J].水利建設與管理，2003（2）.

[3] 譚興藝.混凝土防滲墻施工技術在水庫除險加固中的應用[J].技術與市場，2010（9）.

[4] 林運魁.混凝土防滲墻技術在徐聞縣中小型水庫除險加固中的應用[J].科學之友，2011（12）.

[5] 盧樹義.寒山水庫土壩高壓噴射灌漿施工質量控制[J].企業科技與發展，2011（14）.endprint