我市江淮丘陵區水庫大壩的滲透變形及防止措施

俞萬有

摘 要：天長市位于長江以北，地處江淮之間，屬丘陵地帶，人工修建的中小型水庫多為上世紀五六十年代建成使用至今。該市水庫筑壩時壩體、壩基均采用黏性、非黏性土料，在運行使用過程中，壩體、壩基滲透變形破壞較為嚴重和常見。本文有針對性地從土石壩滲透變形及其成因、滲流分析、滲透變形的判別標準和工程防止措施等方面進行深入剖析，并提出解決我市土壩防滲問題的工程措施。

關鍵詞：土壩；滲透變形；防止措施

中圖分類號：TV697 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0109-02

安徽天長市位于長江以北，地處江淮之間，屬丘陵地帶；我市人工修建多座中小型水庫以滿足防洪、灌溉及水面養殖等綜合利用的要求。丘陵區不比山區，自然資源如砂石料等較為貧乏，因此我市水庫大壩在早期修建時均采用以黏性、非黏性土料為主的均質土壩；壩基多由④層粉質粘土（Q4al）和⑤層中粉質壤土（Q4al）組成；壩身填土多由①層中粉質壤土（Qml），②層粉質粘土（Qml）和③層粉質粘土（Qml）組成。在工程實踐中，土石壩可就地取材，節省“三材”，既經濟又施工效率高且施工技術難度低；但同時也存在諸多弊端，如受氣候變化影響大、壩體易沉陷等，尤其壩體壩基滲透變形破壞較為嚴重和常見。

1 滲透變形及其成因

滲透變形，是土體在一定水力坡降滲流作用下發生變形或破壞的現象。它主要有管涌、流土、接觸沖刷及接觸流失等形式，工程實際中可能出現一種形式，也可能以多種形式伴隨出現在不同部位。

1.1 管涌

管涌，是在滲流作用下，土體內的細顆粒沿粗顆粒的孔隙被滲透水流沖刷帶走的現象。根據滲透方向與重力方向的關系，管涌分為垂直管涌和水平管涌。管涌經常發生在非黏性砂（礫）土體的下游坡面和地基滲流的逸出處，并由下游向上游擴展。對于非粘性土，當土中粗顆粒間的孔隙直徑大于細顆粒直徑且滲透壓力能夠克服阻力使得細顆粒在孔隙間移動才會發生管涌。對于黏性土土料，由于顆粒間存在很大的粘聚力，且孔隙較小，滲流壓力不足以克服阻力把顆粒帶走，因而難以發生管涌。

1.2 流土

流土，是在滲流作用下，因滲流壓力超過土體自重而造成局部土體的隆起、浮動或某一顆粒群的同時移動的現象。它主要發生部位在地基或土壩下游滲流逸出處。在滲透壓力作用下，土體中的顆粒群同時移動而流失，因而流土既可以發生在非黏性土中，也可以發生在黏性土中。

1.3 接觸沖刷

接觸沖刷，是滲流沿著兩種不同粒徑或滲透系數組成的土層層面或建筑物與地基的接觸面流動時，在接觸面處發生帶走細顆粒的現象。在工程實際中，沿兩種介質界面，如建（構）筑物與壩體、壩基等接觸面流動形成的沖刷均屬于此破壞類型。

1.4 接觸流失

接觸流失，是在滲透系數差別很大的兩個土層中，當滲流垂直于層面運動時，將滲透系數較小層的細顆粒帶入滲透系數較大層而流失的現象。接觸流失一般發生在顆粒粒徑相差較大的兩種土層的接觸部位，如在反濾層產生的機械淤堵等。接觸流失包括接觸流土和接觸管涌兩種類型。

1.5 滲透變形成因

滲透變形類型中最主要的是管涌和流土，黏性土的滲透變形常見形式是流土，非黏性土的滲透變形常見形式是管涌。對黏性土，可能產生的變形破壞形式有流土、接觸沖刷或接觸流失，不可能產生管涌破壞。對非黏性土，則四種破壞形式均可產生。一般情況下，管涌和流土主要發生在單一結構的土體或地基中，而接觸沖刷和接觸流失主要發生在多層結構的土體、地基或土體與建（構）筑接觸部位中。

2 滲流分析

土石壩樞紐蓄水后，大壩壩體和透水地基將產生滲流。滲流不僅會造成水量的滲漏損失，還會對壩體穩定產生影響。土石壩（堤防）滲流分析的內容主要有：確定壩體浸潤線及其下游面逸出點的具體位置；計算滲流的主要參數及壩體和岸基內的浸潤面；計算壩體和壩基的滲流量。我市土壩（堤防）進行滲流分析常采用較簡單的水力學法和流網法進行分析和計算。

2.1 水力學法

采用水力學法可以用來近似地確定浸潤線的位置，計算滲流量、平均流速和坡降。水力學方法首先要假定壩體內土質和性質是均勻的（各向同性），各方向的滲透系數均相同；還假定滲流是層流，符合達西定律，任一豎直線上的流速和水頭是不變的常數。不透水地基均質壩矩形土體的滲流計算公式為：q=k（H12-H22）/（2L），其中：q-單寬流量，k-滲流系數，H1、H2-矩形土體上、下游點距壩基的高度，L-矩形土體上、下游點水平距離。

2.2 流網法

流網，是在滲流場內由流線和等勢線構成的網格，流網法關鍵是要確定流網的邊界線，如圖1所示。

流場內任一點處的滲透坡降和流速計算公式為：滲透坡降Ji=H/（nbi），流速ui=kH/（nbi）。式中：k-滲流系數；n-土體孔隙率；bi-某點在網格上的流線長度。

3 滲透變形的判別標準

我市土壩滲透變形常用臨界滲透坡降Jc作為判別標準，即當土體中的實際滲透坡降大于臨界滲透坡降時產生滲透破壞。Jc值通過室內試驗、現場試驗或計算的方法確定。

管涌按下式計算臨界滲透坡降：

Jc=42d/（R/n3）0.5

式中：d-流失顆粒粒徑（cm），可按小于該粒徑的顆粒占3%～5%確定；k-滲透系數（cm/s）；n-土體孔隙率。

流土采用太沙基公式計算臨界滲透坡降：

Jc=γs（1-n）/γ0

式中：γs-土粒重度；γ0-水的重度；n-土體孔隙率。

臨界滲透坡降確定后，根據建筑物的級別選定安全系數，以臨界坡降除以安全系數得到容許滲透坡降。對于無黏性土滲流出口無反濾層的情況，當容許滲透坡降無試驗資料時，可按表1中的數值選用（其中，η是土的不均勻系數）。

另外，通常從壩體和壩基的流網圖可得出滲流場各點處滲透坡降，再與容許坡降相比，即可判定壩體和壩基是否滿足滲透穩定的要求。

4 土壩防止滲透變形的技術措施

對于土壩（堤防），防止滲透變形破壞的具體做法是，采取措施截斷土體中的滲透水流或減小土體中的滲透水流滲透坡降，從而使其小于允許坡降。工程實踐中，較為直接、可靠的方法是在發生滲流的土層中興建防滲墻，截斷土體中的滲透水流，降低滲透坡降；此外，同時采取技術措施增加壩體下游滲流出口處土體抵抗滲透變形的能力，消除滲透變形的形成條件。近些年，我市水庫土壩及堤防等防止滲透變形、破壞的具體工程技術措施為：一是采用多頭小直徑水泥土深層攪拌樁垂直防滲，增加滲徑長度，減小滲透坡降，截阻滲流通道；二是在下游設置減壓井、排水溝等減壓排水設施，有組織地排除滲水，降低滲流出口處的滲透壓力；三是在有可能發生流土的地段，采取工程措施增加滲流出口處的蓋重，同時在蓋重與保護層間鋪設反濾料排除滲水。

參考文獻

[1] 2018年版全國一級建造師執業資格考試用書編寫委員會.水利水電工程管理與實務[M].北京：中國建筑工業出版社，2018：4.

[2] 任德林，張志軍.水工建筑物[M].南京：河海大學出版社，2001：8（2004：6修訂）.