深覆蓋層堤壩地基滲流控制技術探究

蒯 斌

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

深覆蓋層堤壩地基滲流控制技術探究

蒯 斌

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

在整合理論控制研究的基礎上，結合工程技術實例，對深覆蓋層堤壩地基滲流的破壞形式及產生機理進行了探討總結，初步總結了不同土質條件及水力條件下的滲流控制技術，提出了壩基防滲要堅持多種防滲、排滲技術相結合的滲流控制原則，以期為工程實踐提供理論及技術支持。

深覆蓋層;防滲;排滲;控制技術

經調查統計，近幾十年來，國內外由于壩基滲流造成滲流破壞，進而導致工程事故的案例約占事故總數的30～40%，成為影響水利工程安全運行的重要因素，而其中復雜壩基的滲流現象對工程的安全性、長久性運行更有著顯著影響。作為一種典型的復雜壩基，深覆蓋層堤壩地基的滲透穩定性在很大程度上影響著工程的安全可靠性，考慮到該項技術在我國的廣泛使用，筆者通過理論總結［1-3］、工程實例分析［4-8］等方法，對深覆蓋層堤壩地基的滲流破壞形式、滲流控制技術及其效果分析進行探究，以期為工程實際中的應用提供參考。

1 壩基滲流破壞形式

滲流是水在巖土、砂石等孔隙介質中的流動現象。在滲流的影響下，某些土體失去部分承載力及阻流能力從而發生滲透變形，當土體失去全部承載力及阻流能力時，產生滲透破壞。滲流現象無法完全避免，且隨地質條件、水力條件等因素變化，其表現形式有所變化，為了能夠更有針對性地將地基滲流控制在設計范圍內，下面對常見的幾種滲流破壞形式作出總結。

1.1 管涌

管涌分為機械管涌與化學管涌，其中最常見的是機械管涌，其是在滲流的作用下，細微顆粒在土體中粗顆粒形成的孔隙通道內流動，隨著細微顆粒的流失，孔隙不斷擴大，滲流量不斷增加，進而帶動粗顆粒流動并逐步形成土體內貫通的滲流通道，土體被破壞的現象。

當地質條件中缺少非粘性土壤顆粒或防滲工程效能低下時，極易發生管涌現象，當管涌發生時，隨著上游水位的升高，持續時間越長，滲流帶動流失的土體越多，會破壞堤壩地基的整體結構穩定性，造成堤壩塌陷、潰壩等事故。管涌現象的發生受當地地質條件及水力條件的共同影響，圖1為管涌示意圖。

圖1 管涌示意圖

1.2 流土

流土是指在滲流作用下，土體中表面隆起、部分土體的全部顆粒同時移動并流失的現象。無論是非黏性土質或者黏性土質，當水力坡降達到一定數值時，均會發生流土現象。非黏性土體中，流土變形表現為沙沸、土體翻滾最終被滲流托起;黏性土體中，流土變形表現為土體表面隆起、膨脹等現象。與管涌現象不同，流土常常在壩體下游地基的滲流出口無任何保護的部位，而不在地基土體內部，且流土的發展速度很快。產生流土現象的根本原因在于滲流逸出梯度較大，圖2為流土示意圖。

值得注意的是，對地基土體為單一土層而言，滲流破壞僅表現為管涌與流土。

圖2 流土示意圖

1.3 接觸沖刷

滲流沿著兩種不同介質（通常是不同土層）間的接觸面流動，當細顆粒粒徑小于接觸面孔隙通道時，滲流將細顆粒沿接觸層面帶走的現象稱為接觸沖刷，這里的接觸層面方向是任意的。

接觸沖刷主要發生在壩體地下邊線與地基土層的接觸面或者雙層地基的接觸面上，圖3為接觸沖刷示意圖。

圖3 接觸沖刷示意圖

1.4 接觸流土

接觸流土是指當滲流垂直于兩種滲透系數相差很大的相鄰土層接觸面時，將滲透系數較小的土層的細顆粒帶入到滲透系數較大的另一土層的現象。工程實際中，一些不符合規格要求的反濾層接觸面上的反濾層淤塞現象常常是由于接觸流土造成的，圖4為接觸流土示意圖。

圖4 接觸流土示意圖

2 滲流控制技術

前面對壩基滲流問題的破壞機理、形式及體現作了全面總結，由分析可知，壩基滲流控制對發揮水工結構的工程效益及社會效益十分關鍵，為此，壩基滲流控制技術應該結合工程實際，對較可能發生滲流現象的各個環節進行有效控制。一方面從加強壩基抵抗滲流破壞的能力入手，一方面從降低滲透破壞入手，具體控制技術可分為防滲技術、排滲技術、壓滲技術和反濾技術。

2.1 防滲技術

防滲技術采取的主要途徑是延長滲徑，降低滲流坡降及下游出逸坡降，從而減少滲漏量，保護水工建筑物的穩定，其具體形式包含水平防滲與垂直防滲2種。

水平防滲是在上游進行水平鋪蓋或護面的鋪設用于提高防滲性能，常有混凝土護面和粘土鋪蓋等形式，常見的防滲體是混凝土、粘土、瀝青等透水性很小的材料。工程實際中，當土基的相對均質性較好且滲透性不強時，較宜采用水平防滲技術，而對于砂礫或多層堤基，則效果不太明顯。

垂直防滲作為壩基防滲的一種重要方法，其適用范圍主要取決于壩基的地質結構。垂直防滲與壩體防滲體相連，可以作為封閉式結構，阻斷滲流通道，降低滲流破壞發生的可能性。根據防滲深度及范圍的不同，垂直防滲技術分為完全式（著底式）、不完全式（懸掛式）、箱式三種。其中完全式垂直防滲措施底部與不透水層連接，完全阻斷砂礫層，防滲效果好;懸掛式垂直防滲技術則只適合采用承受水力梯度大的板樁及混凝土防滲墻等作為懸掛式帷幕，且在出口處布置好反濾層，并核算出口滲透的穩定性;箱式帷幕則適用于深厚砂礫地基中。

對于壩基滲流問題，各種垂直防滲設施都能可靠、有效地解決，是深覆蓋層堤壩地基滲流的重要控制技術。

2.2 排滲技術

排滲是將透水性能強的材料（砂礫石料、土工織物等）布置在壩體內部與地基的一些滲流坡降大的部位作排水體，使滲透壓力提前釋放，并通過排水體流出，提高允許水力梯度，防止地基部分產生滲透變形，增強了建筑物的穩定性。排滲技術也可分為水平排滲與垂直排滲2種類型。

水平排滲的主要形式有褥墊排水（壩體內）、管式排水和出滲排水（下游壩趾），可以減少下游坡面的滲出流量。垂直排滲在降低下游壩坡浸潤線的同時，減少滲流量，其主要形式有稍微傾斜的直立式排水（壩體內）、貼坡排水、減壓溝（地基內）排水以及減壓井排水等。需要特別指出的是，排滲措施需要與其它滲控措施（如防滲）配合使用，當堤壩后有蓋重壓滲時，在蓋重的末端設置排滲溝。常見的堤壩滲流控制技術如圖5所示。

圖5 堤壩滲流控制示意圖

2.3 壓滲技術

壓滲是通過設置蓋重在壩體下游坡腳附近，以平衡部分水壓，防止管涌及流土現象產生的技術。當不透水層較深且透水層較厚時，常采用背水側壓滲蓋重處理或延伸蓋重與防滲措施相結合的措施處理。由于蓋重土層可以通過人工填筑及吹填來形成，操作簡單易行，因此得到廣泛應用。蓋重壓滲選取的填料最好是透水材料，若材料為粘性土，則對蓋重長度及厚度的設計要特別注意。

2.4 反濾技術

反濾設施由沿滲流方向粒徑逐漸增大的二至三層無粘性土料組成。在滲流逸出口或滲流從細顆粒土層流入粗顆粒土層的接觸面上布置反濾措施，可以將滲水與地下結構層顆粒隔開，提高允許水力梯度，防止滲透變形的產生。

滲流進入反濾設施后，大部分或全部滲透壓力消失，因此，反濾層的設計，可以保護滲流出口，防止部分土顆粒的流失，是防止滲透破壞發生的有效措施之一。反濾層的實施過程中，需要注意以下幾點。

（1）細顆粒不應穿過大顆粒一層的孔隙。

（2）每一層內的顆粒不應移動。

（3）除特別小的顆粒，被保護的顆粒不能經反濾層帶走。

（4）反濾層不能堵塞。

結合上述常見的地基滲流破壞形式及滲流控制技術，不難發現，滲流與地質條件、水力條件等因素有關，對深覆蓋層堤壩地基的滲流控制研究應該從防滲材料、滲流控制技術配合及防滲成果檢測等幾個方面入手。

（1）研發新型價格低廉，抗滲性能較好的材料，提高各項防滲措施的防滲能力。

（2）針對不同地基情況，組合不同防滲、排滲措施，改善防滲系統的綜合控滲能力。

（3）研發新的防滲成果檢查手段，對深覆蓋層堤壩地基滲流的控制效果進行合理判斷。

3 結語

壩基滲流造成的滲流破壞主要體現在管涌、流土、接觸沖刷以及接觸流土。滲流問題不可避免，但通過有效的防滲、排滲措施搭配作用可以最大限度地控制滲流變形、滲流破壞的發生。研發較強抗滲性能的材料，配合更直觀有效的防滲成果檢測手段，可以為地基防滲工作提供更有力的幫助。

本文雖然對深覆蓋層堤壩地基滲流的破壞形式及產生機理進行了探討總結，初步總結了不同土質條件及水力條件下的滲流控制技術，提出了壩基防滲要堅持多種防滲、排滲技術相結合的滲流控制原則。但具體到工程實際中，則應視具體工程情況，先進行理論分析及實驗分析，最后確定最合適的滲流控制方案，因此，需要做進一步深入模擬與研究，以期為工程實際提供理論及技術支持。

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B

1008-1305（2015）06-0060-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2015.06.023

蒯 斌（1982年—），男，工程師。