水庫土壩滲流穩定分析及除險策略

郭華健

（興義市頂效圍山湖自來水公司）

水庫土壩滲流穩定分析及除險策略

郭華健

（興義市頂效圍山湖自來水公司）

作為我國水利工程中的各壩型應用最為廣泛的一種，水庫的土壩壩基、滲流的穩定性及其計算分析是一個非常重要的課題。根據相關資料的顯示，水庫土壩滲流問題引起了許多問題，我國存在的大量的病險水庫，對人民的生活生產造成了嚴重的威脅。水庫土壩滲流穩定分析是作為確定水庫大壩剖面的設計以及壩體安全評判的重要依據。只有對土壩滲流的穩定性做出正確的分析計算，提出合理可靠的除險策略才能發揮其效益，造福于社會。

水庫；土壩；滲流；穩定；除險

前言

近些年來，我國每年都對現有的水庫土壩進行了安全鑒定，并且對病險水庫進行了除險加固。然而，在對病險水庫的進行加固工作的同時，也需要對水庫土壩的滲流穩定性進行分析與總結，從而更好地為今后土壩的安全鑒定、除險加固及其設計、施工和管理等方面提供完善的資料。本文介紹了水庫土壩的滲流問題可能對土壩造成的危害，并且針對土壩存在的問題，提出了合理可靠的除險加固措施。

1 土壩的滲流的概念

水庫土壩滲流通常指的是水體向圍護區之外的地方滲流，從而出現的水量流失的現象。如果土壩的滲漏量過大，將會使得水庫的效益顯著的降低。而由于滲流所在的滲流場的不同，又可以把滲流分成兩種：飽和滲流以及非飽和滲流。同時根據滲流的水頭、速度以及水利梯度，滲流可以被分為穩定性滲流和非穩定性滲流。而從滲流發生的機理角度來看，滲流可以分為流土、管涌、接觸沖刷以及接觸流土這四種類型。

2 土壩滲流的原因

水庫土壩滲流的原因主要是兩方面的：自然原因和人為原因。自然降水、地表水位的變化會對地下水的徑流、排泄條件及其補給產生不利的影響。隨著地表水的入滲，水庫土壩遭到滲浸，水庫土體的抗剪強度由此也降低了，壩體內將會發生滲流現象。同時，滲漏、超壓、滑動、不均勻沉陷等各方面的原因都會對水庫土壩正常運作造成大大小小的影響。水庫土壩的土基、地基以及巖基建造的質量也對壩基滲流的破壞程度的高低有著直接的影響。不夠完善的土壩防滲措施，不僅會影響水庫的蓄水能力，而且還會威脅水庫的安全。

3 土壩滲流的影響

水庫土壩的滲流對土顆粒接觸面造成了壓力和浮力，并且滲透水流的浮力及其拖拽作用也對土顆粒的骨架本身有影響。這些因素都會直接影響到土壩的穩定性，更有甚者，本來安全的土壩也會在滲流的作用下而失去穩定，從而發生邊坡表面垮塌等現象。當土壩內發生了滲流以后，可以發現最大塑性的應變區域顯著地向大壩外側的坡腳處（即滲流的出口處）接近，而且和沒有滲流時相比，其塑性應變區域明顯增大了，這表明土壩容易在滲流的作用下被破壞。由于沿浸潤面切線的方向作用的滲透力，土壩邊坡向外向下的滑動力被加大了，導致滲流的出現降低了土壩的穩定系數。有相關資料顯示，在被破壞的土壩中，其中40%是因為壩基和壩體土的滲流造成的。同時，我國調查有問題的土壩，發現由于滲流引起的竟然高達60%。此外滲流還造成了水庫的防洪堤及其邊坡的坍塌，供水井、減壓井和壩基的排水孔的淤塞，基坑開挖和地下工程施工中遇到流砂，斷層破碎帶、裂縫和軟弱夾層中的松散物質帶出等問題。

4 土壩穩定性的分析方法

通過使用有限元迭代對滲流場進行分析，可以求出浸水后的土壩的各單元的滲透力。采用有限元法對水庫土壩的穩定性進行分析時，采用理想彈塑性模型作為土體模型，使用服從Drucker-Prager準則的本構關系。當使用有限單元法分析對土壩進行分析時，不僅滿足了力的平衡條件，還考慮到了材料的應力應變關系，從而能得到更精準合理的計算結果。采用強度折減法來計算穩定性系數，它的基本原理就是將土壩的土體的強度參數c、準同時按照式（1）和式（2）進行折減：

在一組新的強度參數c′，準′得到后，把有限元程序代入后進行計算，如果計算結果是收斂的，就增大K的值，再把其代入計進行算，直到計算結果剛好不收斂了，那么此時所得到的K值就是邊坡的穩定安全系數Ks。

5 水庫土壩的除險策略

5.1采用背水側壓滲蓋重，盡量避免管涌

在背水側地型條件的允許下，并且使用封閉式的垂直防滲幕墻的造價又太高的時候，通過背水側壓滲蓋重的使用，能夠有效避免壓蓋范圍以內出現管涌現象。當被計算出的后蓋寬度很長的時候，可以通過在其后蓋末端設置減壓井來縮短后蓋的寬度。而且壓蓋在實際的應用范圍比較廣，施工起來比較簡單，堤防的穩固性也相對比較好，工程投資相對較少。再加上壓滲蓋重的形式多樣，能夠從不透水的換成到可以完全自由排水的，實踐中可以按照各自的實際情況，通過不同形式的采取，來實現滲水但是不滲土的目的。

5.2 采用滲透破壞加固方法

滲透破壞加固方法通常是使用在水庫土壩的壩基和壩體的遇到滲流問題的時候，以防止水庫上下游發生滲流的現象，從而提高水庫土壩的抗滲透能力。運用了防滲加固的方法以后，同時還需要利用一些其他的防水措施，例如褥墊排水和棱體排水的措施，土壩的壩體內使用豎向和水平的排水層、排水溝、減壓井等排水的設備，可以有效地消除水庫上游的漏水現象，從而降低下游壩基的水頭及其浸潤線。而只從滲流計算的結果來看，減壓井的效果十分顯著，能夠有效防止管涌起到除險的作用，它幾乎能適用所有的管涌堤基相關的除險。

5.3 采用垂直防滲處理地基的方法

在地基透水層比較薄、隔水層比較淺的情況下，適合采用垂直防滲處理地基的方法，它可以通過封閉式的防滲幕墻的作用，來有效地控制堤基的滲流量，由此達到從根本治理堤基滲透破壞的效果。對于透水層比較厚，隔水層比較深的雙層堤基，由于在采用封閉式垂直防滲墻的施工難度過大而且造價過高，要在具備充分的勘察資料而且充分論證了經滲流計算后才可以使用。垂直防滲墻應該安置在臨水堤腳下或者堤頂靠臨水的一方。可以采用射水法、鋸槽法、輪銑法、高噴灌漿等方法對垂直防滲幕墻進行施工。

5.4 采用裂縫加固的方法

在水庫土壩的各種災害中，最為廣泛的一種災害就是產生裂縫，一般情況下，裂縫多發于水庫蓄水運作的階段，甚至有些裂縫產生在土壩壩體的表面，部分裂縫隱藏于土壩的壩體內，只有開挖了土壩，才能發現隱藏于內的裂縫。治理土壩裂縫應該按照觀察的情況和相關資料，對裂縫產生的部位以及規模進行判斷，對裂縫產生的原因進行準確的分析，有針對性實施措施，及時處理好問題。裂縫加固的方法通常有開挖回填和裂縫灌漿兩種。

5.5 使用滑坡加固的方法

如果滑坡問題出現在水庫土壩中，就需要對它進行地質勘查，并且做好相關的試驗工作，正確分析滑坡產生的原因，并根據“削坡減載，固腳壓重”的滑坡清除原則，盡量減少土壩的滑動力同時增加其阻力，依此對水庫土壩實施加固設計。水庫土壩的滑坡通常是由水流沖刷、土壩內部的滲水作用或者是上部壓載過重等原因造成的。在這種情況下，通常是采用土壩中的主動滑動段來減重和采用在滑坡體前緣拋石來固腳的方法。而對于由滲透作用造成的滑坡，必須要采取“前截后導”的措施，把防滲和排水的作用加強。對于淺層的滑坡一般可以挖出滑動體中的主滑體，并進行重新回填。

6 結論

本文通過分析表明：當水庫土壩出現滲流的時候，會降低土壩的穩定性。因此，在實際施工中我們應該充分考慮滲流會對水庫土壩的穩定性可能造成的影響，同時要做好防滲措施，及時了解水庫土壩的狀況，及時發現并且處理問題，消除安全隱患。總之，要切實做好管理工作，最大限度的避免事故發生，充分發揮水庫的社會效益和經濟效益，保護人民的生命財產安全。

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1004-7344（2016）15-0123-02

2016-5-12

郭華健（1984-），男，助理工程師，大專，主要從事水庫管理工作。