土石壩滲流穩定分析及控制技術研究

霍偉

【摘 要】對病險土石壩進行正確的滲流穩定分析，從而確定合理可行的滲流控制措施。

【關鍵詞】土壩；滲流分析；加固

Embankment dam seepage stability analysis and control technology

Huo Wei

（Zhangweinan Changzhou Engineering Bureau Cangzhou Hebei 061000）

【Abstract】Dangerous embankment dam on the proper flow stability analysis to determine the reasonably practicable seepage control measures.

【Key words】Seepage Analysis；Dam reinforcement

1. 土石壩滲流病害特點

土石壩壩型多樣，各類型式滲流特點各異，按照防滲體類型，土石壩主要分為均質土壩和粘土心墻土壩兩種基本形式。

1.1 均質土壩。該類土壩的病險大多因為施工時清基不徹底，造成壩基部分乃至全部坐落在砂礫石透水層上，或強風化等裂隙發育的巖基上，以及壩體填筑質量差，壓實度及滲透性不滿足規范要求，其滲流方面的病害表現主要為：

（1）壩基滲漏嚴重。

（2）繞壩基滲漏。

（3）壩體散浸，壩體因為滲漏嚴重，造成滲流出逸點在后壩坡出露，嚴重造成下游壩坡沼澤化。

（4）土質壩體白蟻建巢，形成滲漏通道。

1.2 粘土心墻土石壩。大壩由土質防滲體及透水性不同的壩殼構成，心墻土石壩防滲體均為粘土，壩殼材料則有土石混合料、風化石渣料等。在其流流方面的病害表現主要為：

（1）防滲體基礎施工時清基不徹底或沒有清基，基礎滲漏。

（2）防滲體與壩殼之間反濾層不滿足要求或沒有設置反濾層，心墻受水力破壞，心墻流漏。

（3）防滲體壓實度、滲透性不滿足規范要求，防滲體滲漏。

（4）大壩產生不均勻變形引起防滲體產生裂縫，特別是橫向裂縫造成防滲體滲漏。

（5）土質防滲體與剛性建筑物連接滲徑偏短，特別是接觸面垂直，沿剛性建筑物連接處滲漏。

2. 滲流分析

2.1 滲透系數相對比值與滲流分析關系。滲流流網形態、逸出坡降、平均坡降值與壩體材料、地基土滲流系數K值的相對比值對比值及分布有關，與滲透系數K絕對值大小無關（但影響滲水量）。因此，主要根據壩體、地基各土層滲透系數相對比值進行滲流分析，確定合理滲控措施及結構。

（1）填料、地基土層的滲透系數相差5倍徑內的相鄰土層可視為一層，采用加權平均滲透系數作為計算依據。

（2）當透水地基深度大于建筑物不透水底部長度1.5倍以上時，可按無限深透水地基計算。透水層淺、薄、出口處等勢線越密，垂直方向的逸出坡降越大。因此，透水層淺、薄時，出險可能性反而大。

（3）比上層地基土滲透系數小二個量級（1/100）以下的下臥層可認為是不透水層。

（4）下層土比上層土的滲透系數小一個量級〔一般取K下≤（1/30～1/50）K上〕可認為屬相對不透水層。低壩的防滲滲墻或帷幕可伸入該相對不透水層。

（5）上層土的滲透系數比下層土小一個量級時，下層土內便可產生承壓水。

（6）斜墻、心墻用土的滲透系數宜比相鄰土層的滲透系數小二個量級（1/100）以下；鋪蓋用土宜比相鄰土層小三個量級（1/1000）以下。相差三個量級可認為是不透水防滲體。

（7）透水蓋重用的滲透系數，宜比地基表層土的滲透系數大一個量級。其滲透系數小于地基表層土的滲透系數時，會增加壩后位勢，不能顯著降低逸出坡降；僅為表層土的2～3倍時，滲控效果也不顯著。大于10倍以上后，可基本不改變壩基原有滲壓分布，降低相對不透水層中的滲流逸出坡降，增加相對不透水層抗管涌在破壞能力。

2.2 滲透變形與滲透破壞形式。

2.2.1 無粘性土滲透變形與滲透破壞形式。

（1）流土：在上升的滲流作用下，局部土體表面隆起、頂穿，或者粗細顆粒群同時浮動而流失。主要發生在d60/d10<10的土體，填料體積大于骨架孔隙體積情況下的滲流逸出處。在較均勻的粉細砂中主要形式為表面隆起、頂穿現象。在不均勻砂土層中，主要為粗細顆粒群同時浮出而流失。流土只有破壞坡降。臨界坡降與其相近。可分為無約束流土（整塊土體隆起或破壞）和有蓋重約束流土（砂沸、泡泉群、噴砂）。

（2）管涌（潛蝕）：土體中的細顆粒在滲流作用下，由骨架孔隙通道流失。主要發生在d60/d10>20土體中，其填料體積明顯小于骨架孔隙體積情況下，可發生于顆粒粒組成不均勻砂性土的滲流逸出處或內部。有臨界坡降，破壞坡降?？煞譃榘l展性管涌和非發展性管涌。

（3）接觸沖刷：滲流沿著兩種滲透系數不同的土層接觸面或建筑物與地基的接觸面流動時，沿接觸面帶走細顆粒，即滲透為順接觸面沖刷。主要發生于閘壩地下輪廓線與地基土的接觸面、雙層地基接觸面、以及壩內埋管與其周圍介質的接觸面、剛性與柔性介質的接觸面上。

（4）接觸流土：在層次分明，滲透系數相差懸殊的兩土層中，當滲流垂直于層流面流動時，將滲透系數小的一層土中的顆粒帶到滲透系數大的一層中的滲透變形現象。滲流為順直接觸面沖刷。不符合要求的反濾層接觸面上，常由于接觸流土造成反濾層淤塞。

2.2.2 粘性土滲透變形與滲透破壞形式。

（1）流土：表層為粘土與其它細粒土組成的土體產生流土破壞現象。為土體表面隆起、頂穿、斷裂、剝落。主要發生在出逸面無蓋重的情況下。endprint

（2）接觸流土：在粘性土與粗粒材料接觸處，發生土體向粗粒空隙中移動的流土破壞現象。土體破壞前，滲流出逸體積略有增大，且升起土冠或在土的表面產生裂縫，然后產生流土，呈圓錐狀脫落。

（3）剝落：當滲透水流經粘性土向設有粗料材料蓋重一側滲透時，未被粗料材料遮蓋住部位產生逐暫剝落，形成深洼。剝落深度約為粗粒土孔隙直徑Do的1/2。

（4）接觸沖刷：沿相鄰不同土層的層間流動產生沖刷。

（5）發展性管涌：主要在分散性粘土中產生。

2.2.3 基巖中的斷層及軟弱夾層內的充填物產生的滲透變形。

（1）沖刷：斷層及軟弱層內的土顆粒或粒團在滲流作用下，各自被水流沖動帶走的現象。

（2）流土：斷層及軟弱層內有一定體積的土顆粒在滲流作用下，同時動動、流失現象。

（3）灌淤：滲透水攜帶的土粒及其它物質在巖層裂縫及介質孔隙中沉聚現象。

（4）由于基巖滲透破壞，直接使土壩失事可能性不大。直接興建于基巖上的土石壩失事有可能因基巖中的裂隙滲流對防滲體的沖刷，招致工程病險。

2.3 允許滲流坡降。

2.3.1 開始發生滲透變形以前的最大滲流坡降為臨界坡降。當滲流坡降小于臨界坡降時，管涌土的土料處于滲透靜穩定狀態。

2.3.2 土體內部結構產生滲透破壞的最小滲流坡降為破壞坡。當滲流坡降小于破壞坡降時，管涌土處于滲透穩定狀態。砂性土的破壞坡降約等于土的浮比重。砂性土防止管涌出現的允許坡降， 采用臨界坡降的1/1.5～1/2，或破壞坡降的1/2～1/3；防止流土出現的允許坡降采用破壞坡降的1/2～1/3。

（1）砂性土允許逸出坡降：0.25～0.3；粉土0.45～0.5；中砂以上砂礫，流土型為0.25～0.8，過度型0.25～0.4，級配連續管涌型0.15～0.25，級配不連續管涌型0.1～0.15。

（2）砂性土及軟粘土允許滲透坡降：管涌發展串道形成管道，主要決定于地基的平均滲透坡降是否超過臨界值。一般情況下：粉砂允許平均滲流坡降0.005～0.07，細砂允許平均滲流坡降0.07～0.1，中砂允許平均滲流坡降0.1～0.13，粗砂允許平均滲流坡降0.13～0.17，中細礫允許平均滲流坡降0.17～0.22，軟粘土允許平均滲流坡降0.3～0.4。

（3）粘性土的抗滲強度較高，但遭遇偶然因素影響的局部抗滲強度則低得多。因此，粘性土層的允許滲流坡降取破壞坡降的1/6～1/12（在有可靠反濾層保護下）。一般粉質粘土為3～6.0粘土為6～10。無可靠反濾保護層時，粉質粘土僅為0.5～0.6。

（4）粘土均質壩的滲流逸出面無反濾保護材料時，為滿足背水坡滲流逸出坡面不產生流土坡壞，應滿足tgθ<0.5tgφ。式中θ為坡角，φ為坡面土的內摩擦角。一般φ=18-26°，則θ=9-4°，即邊坡應緩于1：4-1：6，工程中難以做到，因此粘性土坡面滲流逸出部位要設有反濾層的貼坡排水或排水棱體。

（5）巖層內的斷層、軟弱夾層內的充填物滲透坡壞坡降范圍為10.5-37，一般為18-20；臨界坡降一般為8-11；允許坡降2-5。

2.4 無截滲設施的地基滲流特點。

（1）單一地基：多為級配和透水性較均勻結構，一般不會在壩基內產生承壓水，單一粘性土地基，滲流問題不大；單一砂性地基為管涌險情多發地段。

（2）雙層地基：多由表層弱透水粘性土與下臥的強透水砂層組成地元結構。在高水位長期作用下，粘性土層的薄弱處有可能被承壓水頂穿，形成集中出水口，發生管涌或流土。

（3）多層地基：強弱透水層形成互層結構，可能形成多個承壓層。當表層透水性較緊鄰下層要弱，滲流特性與雙層地基相近。當表層透水性較緊鄰下層強，按單一砂層分析表層滲透穩定性和雙層地基分析析兩層以上土層的滲透穩定性。

3. 滲流控制原則及防滲加固措施

3.1 滲流控制原則。

（1）土石壩及地基、兩岸壩肩的滲流控制應使滲徑、滲流坡降（平均坡降、逸出坡降）、滲水流速（裂隙巖體、接觸面）及滲水量（尤其是缺水地區）控制應小于允許值。其基巖滲控應防止防滲體底部受巖體裂隙滲流沖刷。

（2）土壩滲流控制措施主要為“前堵、中截、后排”，其地基為“前延、中截、后壓排”。

（3）土石壩長期運行，填料及其地基土層工程力學性質已有所改變，采用的計算、分析參數應以近期勘測、實驗成果為主，并考慮壓密、滲透加固與破壞情況進行綜合分析。

（4）土石壩常年擋水，可形成較穩定滲流形態，宜按最不利穩定滲流場設計。

（5）采用的防滲加固措施，應充分利用已有的防滲、反慮、排水措施，形成連續、完整防滲體。

（6）防滲體不能與表面張開裂隙直接接觸。壩身與壩基及不同土質接觸長度應滿足不產生接觸沖刷要求。

（7）地質條件和工程復雜的病險土石壩，采用單一的技術措施往往難以湊效或不經濟，宜采用綜合防滲加固措施。

（8）應有利于盡早釋放滲透壓力，以增加下游壩坡及地基靜力穩定性。一般宜采用截斷滲流的著底式防滲體。當采用完全截斷滲流措施不經濟合理時，采用的措施應亦有有利于滲流分散，滲流坡降均勻。

（9）新采用的防滲體大多難以在其兩側形成反濾層、過渡層。因此，采用的防滲材料應有較小的防滲系數，較大的允許滲流坡降和較強抗溶濾能力。

（10）采用的防滲措施應施工場地要求不大，最好能在一個枯水期完成，能適應在一定水頭差情況下施工。

3.2 防滲加固措施。土石壩防滲措施一般分為水平防滲與垂直防滲兩大類措施，在加固工程中，對于水平防滲，一方面須對存在問題的水平鋪蓋進行修復，另一方面須加固壩體的防滲體。在進行減滲的同時，還必須結合采用適當的排滲措施，例如排滲溝、減壓井、排水反慮體等措施。垂直防滲是加固工程防滲處理措施中十分常見的工程措施，采用垂直防滲，對透水地基來說，與水平防滲措施相比，截流效果更顯著。垂直防滲措施主要有水泥灌漿防滲、土工合成材料防滲、高壓噴射灌漿防滲、沖抓套井回填、側掛井人工垂直開挖防滲墻、劈裂灌漿防滲、深層攪拌連續防滲墻、混凝土防滲墻等。

4. 結語

在土石壩除險加固設計中，應根據壩體、壩基工程地質條件、壩體結構型式、大壩高度等因素，合理的進行滲流安全分析，采用合理的除險加固防滲措施，確保水利工程安全運行，充分發揮水利工程效益。

參考文獻

[1] 郭宗閔.《水工建筑物》，水利電力出版社.

[2] 孫東坡.《水力學》，黃河水利出版社.

[3] 水工設計手冊.第一版，水利電力出版社.

[4] 陳軍斌主講.滲流力學，網絡視頻.

[5] 翟云芳.《滲流力學（第三版）》，石油工業出版社.endprint