水庫(kù)大壩滲流問題及防滲措施

郝雷，莊作義

（臨沂市水利工程處，山東 臨沂 276000）

0 引言

水庫(kù)大壩運(yùn)行期間可能會(huì)出現(xiàn)水力問題，從而威脅其安全。需要認(rèn)真研究和切實(shí)解決的危險(xiǎn)問題，例如滲流問題、高速流引起的沖刷和侵蝕、沉積物和碎屑堵塞出口設(shè)施，甚至堵塞出口結(jié)構(gòu)（如溢洪道）的閘門。通過總結(jié)水庫(kù)大壩滲流問題，預(yù)防水庫(kù)大壩出現(xiàn)問題。

1 水力問題引起的水庫(kù)大壩破壞統(tǒng)計(jì)

據(jù)水利部國(guó)外合作組織ICOLD（國(guó)際水庫(kù)大壩委員會(huì)）發(fā)布了關(guān)于水庫(kù)大壩故障和事故的詳細(xì)記錄。這些記錄顯示，在20世紀(jì)，大型水壩的建設(shè)迅速增加。從給定的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，到1950年為止，全世界只建造了約5 000座水庫(kù)大壩，但到20世紀(jì)末，大型水壩的數(shù)量達(dá)到了約45 000座。引進(jìn)的嚴(yán)格的安全規(guī)則和條例，加上設(shè)計(jì)和施工領(lǐng)域開發(fā)的新技術(shù)和創(chuàng)新，使水庫(kù)大壩失事率從1995年前的2.20%降至現(xiàn)在的0.50%。目前，大多數(shù)現(xiàn)有水庫(kù)大壩是土石壩，占世界上所有水庫(kù)大壩的77%，其中64%是填土壩，13%是堆石壩，混凝土壩和其他類型的水庫(kù)大壩構(gòu)成其余32座。因此，從圖1中可以觀察到，水力土石壩的破壞案例數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他土石壩的失效案例。上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以分析出，與混凝土壩相比，迄今為止建造的大多數(shù)水庫(kù)大壩都是土石壩。此外，與混凝土壩相比，土石壩由于其自身的特性建筑材料和相對(duì)較弱的基礎(chǔ)對(duì)水力問題更為敏感。

圖1 不同類別和高度水庫(kù)大壩的事故次數(shù)圖

在總共136 座大型水壩的破壞中，有121 座是由于水力問題造成的，這些水庫(kù)大壩覆蓋了廣泛的使用時(shí)間、施工技術(shù)和地基條件。表1 顯示了不同失效模式下的土石壩失效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，管涌的故障是土石壩所有事故中最常見的，所有管涌事故中有一半與穿過壩體或壩基的管道有關(guān)。此外，通過路堤的管涌事故有近50%發(fā)生在首次填筑期間，64%發(fā)生在運(yùn)行的前5年內(nèi)。對(duì)于穿過地基的管涌，近25%的故障發(fā)生在首次填筑期間，75%發(fā)生在運(yùn)行的前5年內(nèi)。不難發(fā)現(xiàn)，如果水庫(kù)大壩施工不良或存在缺陷，第一次填筑就可能會(huì)暴露這些缺陷。另一部分水庫(kù)大壩的管涌事故可能會(huì)緩慢發(fā)展，如巖溶地基的內(nèi)部侵蝕。

表1 土石壩事故總結(jié)表

2 土石壩滲流問題

所有的土石壩都有一定的滲漏，由于水庫(kù)中的水通過壩體及其基礎(chǔ)尋找阻力最小的路徑，可能會(huì)對(duì)水庫(kù)大壩安全造成一些危害。如果處理和控制不當(dāng)，滲流可能導(dǎo)致水庫(kù)大壩潰決。如果允許大量滲流繼續(xù)不受阻礙，則滲透力可能會(huì)侵蝕細(xì)土顆粒，并將其沖出，導(dǎo)致水庫(kù)大壩在內(nèi)部侵蝕過程中管涌破裂，或產(chǎn)生隆起問題。因此，滲流可能被視為土石壩最常見的事故，許多土石壩的失效記錄在水庫(kù)大壩失效登記冊(cè)中。應(yīng)在設(shè)計(jì)階段對(duì)此類危險(xiǎn)進(jìn)行防護(hù)，如果在水庫(kù)大壩壽命期內(nèi)出現(xiàn)，則必須仔細(xì)調(diào)查該情況，并應(yīng)盡早采取必要的補(bǔ)救措施，以防止其發(fā)展為破壞條件。通過壩體的滲流可能出現(xiàn)在下游面、壩趾上方或下游橋臺(tái)的任何位置。在這種情況下，應(yīng)降低潛水面，以將其出口點(diǎn)限制在壩體內(nèi)。

對(duì)于不透水地基上均質(zhì)壩的最簡(jiǎn)單情況，圖2給出了在不使用任何降低潛水面的措施的情況下，通過壩體的滲流情況。

圖2 土石壩滲流示意圖

在這種類型的水庫(kù)大壩中，當(dāng)水庫(kù)水位較高且孔隙壓力也較高時(shí)，下游邊坡存在坍塌和內(nèi)部侵蝕的危險(xiǎn)，從而導(dǎo)致破壞。水庫(kù)的快速抽水和上游邊坡飽和也會(huì)發(fā)生同樣的情況。兩個(gè)斜坡可能必須非常平坦，以避免此類情況，或在坡腳處添加過濾器，或在下游的基底內(nèi)鋪設(shè)排水層或排水毯。最后一種選擇是在水庫(kù)大壩內(nèi)添加垂直排水溝，以攔截壩體內(nèi)的潛水面，然后以安全的方式從下游釋放滲水。水庫(kù)大壩的安全風(fēng)險(xiǎn)隨著高度和蓄水量的增加而增加，就滲流而言，目前的設(shè)計(jì)程序要求將滲流最小化并限制其危害，而不是完全消除它。

建造大型水壩的需要導(dǎo)致了分區(qū)填水壩的發(fā)展，其中可以使用不同類型的土壤材料并以防止?jié)B漏的方式放置。首先，中間的不透水巖芯可以是粘土，也可以是混凝土或?yàn)r青混凝土，將作為主要的防滲措施。在巖芯的上游和下游側(cè)，還應(yīng)設(shè)計(jì)過濾區(qū)，以防止地震、沉降或水力壓裂造成的巖芯裂縫中的任何殘余滲流或泄漏。因此，可以說，設(shè)計(jì)理念已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂茲B流，降低潛水表面的飽和度，并通過加入排水設(shè)施來最小化滲流量，從而允許更陡的斜坡，從而建造更高的水壩。

3 混凝土壩滲流問題

滲流問題在混凝土壩的安全考慮中具有特殊重要性。它們通常會(huì)受到各種影響，這些影響與它們的安全運(yùn)行有關(guān)，例如：基礎(chǔ)變形、材料強(qiáng)度、可靠性和老化。然而，滲流除了自身的負(fù)面作用外，滲流對(duì)混凝土壩安全的不利影響主要來自壩基上的揚(yáng)壓力，而壩基滲流很容易產(chǎn)生揚(yáng)壓力。揚(yáng)壓力會(huì)降低水庫(kù)大壩的抗滑力，從而影響水庫(kù)大壩的穩(wěn)定如圖3 所示。此外，混凝土壩和砌石壩可能會(huì)受到滲透水通過壩體的一種或多種方式的影響。它可能通過水庫(kù)大壩本身的裂縫滲透，從而導(dǎo)致其材料浸出，并形成薄弱面。通過地基的滲流除了影響水庫(kù)大壩的滑動(dòng)穩(wěn)定性外，還可能導(dǎo)致其材料的內(nèi)部侵蝕。滲流可能造成的三種負(fù)面影響來源：①水庫(kù)大壩滲透壓力表現(xiàn)為壩基的揚(yáng)壓力和壩體內(nèi)部的滲透壓力。兩者都是由滲流引起的，對(duì)水庫(kù)大壩的穩(wěn)定性、變形和應(yīng)力都有一定的影響。②水庫(kù)大壩滲漏導(dǎo)致水將細(xì)顆粒帶出壩體，形成滲流通道，危及水庫(kù)大壩的穩(wěn)定。③上游蓄水不僅會(huì)滲入壩體和壩基，還會(huì)在水庫(kù)大壩兩端的岸坡周圍向下滲透。

圖3 混凝土壩滲流示意圖

4 防滲措施

①采用粘土芯、隔水膜、基礎(chǔ)灌漿帷幕等方法減少滲流量。②采取過濾措施來防止土壤顆粒在滲透力的作用下移動(dòng)。③在大壩施工中盡量避免使用粉質(zhì)粘土或粉質(zhì)材料。④使用排水方法來緩解滲透壓力，如垂直排水管和排水溝，或基礎(chǔ)內(nèi)自流條件下的減壓井。⑤避免水庫(kù)大壩的不均勻沉降的情況，以防產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)導(dǎo)致大壩開裂。必須對(duì)施工程序進(jìn)行控制，以避免水力裂縫、拱起。大壩內(nèi)部盡量避免形成滲流通道，不在壩基處使用低密度壓實(shí)填料，這些都可能產(chǎn)生分離表面或滲流通道，并在水頭作用下對(duì)大壩造成侵蝕。⑥混凝土重力壩中混凝土塊間的接頭緊密，以防止水滲透，凍融條件下可能會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，破壞大壩的整體穩(wěn)定性。⑦自流條件下的基礎(chǔ)排水可通過土壩下游的排水溝完成，用以降低揚(yáng)壓力。混凝土重力壩中采用減壓井來達(dá)到相同的效果，混凝土重力壩壩身下也有排水幕，其中的滲透水收集在排水廊道中。土石壩和混凝土壩中，設(shè)置灌漿帷幕降低水頭，提升基礎(chǔ)抵抗?jié)B流能力。