土石壩滲流及其控制措施研究

王光霞 萬書云 馬慧清

Research 研究探討

土石壩滲流及其控制措施研究

王光霞1萬書云2馬慧清3

（1.淮安市淮安區渠南水利管理所，江蘇 淮安 223200； 2.淮安市金湖縣水務局，江蘇 淮安 211600； 3.蘇州市水利工程質量檢測中心有限公司，江蘇 蘇州 215300）

土石壩是水利工程中一種常用的擋水建筑物，土石壩的土料和壩基的砂礫都具有一定的透水性，因此土石壩的滲流問題就顯得更為重要。本文在介紹了土石壩滲流原因及破壞形式的基礎上，進一步提出土石壩滲流的控制措施。

土石壩；滲流；控制措施

0 引言

在土石壩工程設計中，要首先結合工程要求，進行必要的滲流分析，主要對土石壩滲流的原因進行重點分析，對存在的潛在的主要安全隱患提出合理的布設防滲措施，要保證對后續施工沒有影響的情況下，施工才能有序開展。在研究土石壩滲流時，需要結合工程建設實際需求，還需要清楚土體結構特征以及水流特點，知道土層中的水流的運動規律。本文重點介紹土石壩滲流及其控制措施。

1 土石壩滲流的原因

首先，對于一般的土石壩以及其土石壩的基層填料都是一些散粒顆狀體，例如，土料、沙礫等。這些填料的顆粒間都有一個孔隙率大的特點，所有具有較好的透水性。因此，當水庫開始蓄水時，由于土石壩以及壩基的填料的孔隙較大，在水壓力的作用下，水流會通過這些孔隙向下游滲透從而會造成壩身、繞壩及壩基的滲漏。對于滲流又分為正常滲流與異常滲流兩種。若滲流在設計的可控范圍內，滲流量必然在設計規范范圍內且表現為穩流狀態，此時滲流量一般不大，水質也比較清澈，含沙量較小，不會對石壩的壩身及壩基等填料造成破壞，此時為正常滲流；反之，若滲流較大，且滲水量比較集中，水質也較為渾濁、含沙量大，會對土壩的壩身及壩基會受到管涌、土料流失等滲透破壞。因此，這種對水庫蓄水業的興利產生影響的滲流稱為異常滲流。

2 土石壩滲流分析

對于土石壩的滲流問題一般分為：滲流計算；滲透變形；滲流控制，這三個主要方面。而對于較為復雜的滲流問題，則需要更深刻理解其運行機理才能建立完善的數學模型從而得出有助于生產實踐的結論。

2.1 滲流量計算

“滲流計算”作為滲流問題的三個主要方面之一。因此，滲流計算在土石壩的設計與運行管理中需要精細核對。而土石壩的設計一般包括：土石壩滲漏的損失計算、合理的防滲措施以及壩身和壩型的的斷面尺寸計算等。這些因素可以通過對滲漏的計算來確定。在有已知定解條件下：初始條件、邊界條件等。對于土石壩的滲流計算，理論上是可以通過求解滲流方程得出土石壩滲流場的水頭分布，進而得出滲流量及滲流水力坡降系數等。

在當今關于土石壩的滲流計算常用方法主要有流體力學法、流網法、水力學法等。首先，對于流體力學方法由于其求解條件苛刻計算頻繁復雜，只能運用于在土石壩邊界分布較為簡單的情況，因此，在工程上很少使用；相反，水力學法由于其簡易的計算過程，雖說是一種近似求解方法，但其精確度在工程所需精度的可控下，在過去被廣泛應用；流網法一般運用于土質和滲透系數相差不大的情況，其主要是通過求解流場內的某一點的滲流因素。

2.2 滲透變形

滲流變形顧名思義主要是滲流在機械水壓力下，使得土石壩的壩身及壩基填料的土塊等發生局部破壞的一種滲流問題。滲流變形類型一般有四種：流土、接觸流土、接觸沖刷和管涌。其變形的形式通常與土料的性質、水流條件、防滲和排滲措施等因素有關。

其中：α為修正系數，取0.95～1.0，

n 為土壤的孔隙率，

Pz 為粒徑不大于2mm 細粒臨界含量。

2.3 滲流控制

土石壩的滲流控制主要有兩個方面：控制理論、控制技術。而滲流控制與滲透理論息息相關。滲透理論它主要包括滲流的的基本原理、土體的滲透穩定性和滲流場的分析方法三部分。而控制理論是滲流控制的理論知識，是滲透理論在工程實踐的發展和運行時向實踐反饋的結果；控制技術便是具體工程的實施應用的一種技術。例如，灌漿技術，反濾壩技術等，它的理論基礎便是滲流理論。

3 土石壩滲流破壞形式

3.1 壩體滲流

常見的土石壩壩體滲流形式有兩種：一種是下游壩面出現局部滲水；另一種是下游壩面出現集中滲漏。

當壩體滲透水量超過了允許范圍，或滲流溢出點較高時，結果就會導致下游壩面沼澤化現象出現，同時壩體浸潤面抬高，壩坡土體的抗剪強度亦隨之衰減等問題，大大增加壩體產生滑坡或滑塌的可能性，此時極易出現壩面的滲水或散滲。集中滲漏的產生一般是在壩體內存在裂縫等薄弱層，在水庫蓄水后，壩體內逐步形成滲漏通道[2]。

3.2 壩基滲漏

土石壩勘測時如發現壩基地質條件欠佳，設計和施工時應針對問題，采取清基、換填、灌漿等必要的工程處理措施。若設計、施工處理不當，清基不徹底或未采取必要的防滲措施，水庫蓄水后，土石壩壩后地面及壩基容易產生膨脹、斷裂和泡泉等滲漏現象，嚴重影響壩體的穩定性。

3.3 繞壩滲漏

繞壩滲漏與壩基滲漏相似，同樣取決于地質條件。壩肩山體地質條件欠佳，存在裂隙、斷層，或壩岸、溶洞連接部位處理措施不當等，均會導致繞壩滲漏。繞壩滲漏既會影響壩肩山體的安全，也會對壩基和壩體同時產生連帶影響。

3.4 壩體與剛性建筑物接觸處的滲漏

這類滲漏不像上述三種那樣常見，它主要發生在壩端溢洪道的側墻接觸部位及壩下涵管與土體間的接觸滲漏。在山區水庫的建設中，通常會采用壩端溢洪道或壩下涵管形式，但是因為壩肩溢洪道側墻與壩體連接處未做齒墻，或側墻背面填土不實，滲徑短，滲透坡降大。這樣在兩種不同介質面上發生的接觸沖刷，十分容易形成管涌通道，給大壩安全埋下隱患。

4 土石壩滲流控制

4.1 滲流控制的原則

由于土石壩具有與滲流共存的保水結構，因此在控制土石壩的滲流時通常必須遵循以下控制原則：

（1）土石壩和兩岸的基礎和壩基在滲流控制、滲流直徑、滲流梯度（平均梯度，逸出梯度）、滲透率（礫石、接觸面）和滲流體積（尤其是水面積）方面的管理必須在可接受的范圍內。巖石滲透控制應防止不滲透體的底部被巖石裂縫的滲透物沖刷。

（2）有效控制土壩滲流的方法主要是“前堵、中截、后排”，地基是“前延、中截、后壓”。

（3）在土石壩的長期運行過程中，填料及其基礎土的工程和機械性能已經發生了變化，所使用的計算和分析參數應該基于最近的研究和實驗結果，應考慮壓縮、穿透加固和破壞條件來分析;

（4）土石壩長時間與水接觸，會造成相對穩固的入滲方式，應根據最不利的入滲場景進行設計。

（5）采取的防滲方法應充分運用現有的防滲、防污、排水措施，形成完整且不間斷的防滲機制。

4.2 滲流控制具體技術措施

抑制土石壩滲流的措施基本上是增加滲流直徑，使滲流梯度不超過容許梯度，以維持土石壩滲流的穩定性，適當的與排水措施想結合，既可以排水，又可以進一步減少下游大壩基礎設施的剩余水頭。

4.2.1大壩基礎黏土覆蓋

如果壩基中有嚴重的滲透，或者壩基中的不滲透層位于較深位置，他很難形成垂直屏障（或屏障槽），這種情況下應該使用粘土覆蓋物覆蓋以防止滲透，粘土覆蓋物的長度是大壩前水深的3至5倍。上游段覆蓋厚度通常為0.5 m或更大，與大壩的交界處通常為1-2 m或更大。如果沒有足夠的土壤物質覆蓋，則可以使用土工膜作為覆蓋物，但是需要將土壤物質散布在表面上以進行保護。

4.2.2防滲土工膜

傾斜墻（核心墻）覆蓋物是在可滲透基礎上建造土石壩的更常見的形式。當復合土工膜用作斜壁（芯墻）的不滲透材料時，主要在于復合土工膜的主膜，滲透系數通常為10-11至10-12 cm / s，遠小于粘性土（K= 10-6至10-7 cm / s）和混凝土（K = 10-6至10-8 cm / s）的傳輸系數。另外，復合土工膜具有高彈性或塑性變形，可以適應由土壤沉降、膨脹和收縮、意外的過載、滑坡和滲漏引起的過度位移和變形。

4.2.3防滲帷幕

帷幕灌漿通常用于壩基巖石基礎的防滲處理，不可滲透的帷幕可以利用水泥灌漿或化學灌漿。水泥漿是漿的常見形式。化學灌漿是將某些化學藥品配制為溶液，而后將其倒入地層或縫隙中浸透、分散、凝膠化或固化，以增加層的強度，降低層的滲透性并防止滲透。這是對于混凝土建筑物地面變形和裂縫修復的加固技術。

4.2.4土壤不滲透體

防滲土是土石壩設計中使用率最高的防滲結構。不可滲透的物體通常充滿粘土。粘性土由于其滲透系數低于土石壩殼材料，更容易形成阻礙，減少壩的滲漏和滲流壓力，并控制滲流線在壩中的位置。使得滲透是穩定的。不能滲透土壤的物體通常分為粘土芯壁和粘土傾斜壁。設計的核心任務是確定可滿足滲透率控制要求的巖心和傾斜壁的厚度。防滲體厚度的確定應基于壩體巖心墻材料的設計揚程和允許的水力梯度。

5 結論

土石壩具有較好適應地基變形的特性，且管理運行簡單、經濟、方便，因此被廣泛采用；但是土石壩也有自身的不足，作為擋水建筑物，其滲流問題一直是個需要思考和解決的問題。為了解決土石壩滲流問題，需要遵循一定的滲流控制原則，需要對滲流原因具體分析以后，在以上多種放滲措施中選擇合適的滲流防滲措施。

[1]張凱倩.土石壩滲流分析及控制措施綜述[J].湖南水利水電,2013(05):30-32.

[2]丁樹云,蔡正銀.土石壩滲流研究綜述[J].人民長江,2008(02):33-36+108.

[3]王志光,趙曉萍.水利工程中土石壩滲透變形的成因及處理措施[J].吉林農業,2015(15):83.

[4]程聲龍.土石壩滲流破壞及其控制措施[J].黑龍江水利科技,2014,42(04):120-122.

王光霞(1978.4- )，女，漢族，江蘇淮安人，工程師，研究方向：工程管理、農業水利工程。

萬書云（1976- ），女，江蘇金湖人，工程師，研究方向：水利工程建設管理。

戴衛東（1968- ），男，江蘇昆山人，工程師，研究方向：農業水利工程。

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