中小型土石坝渗流破坏加固研究
更新时间:2017-02-28 11:36:17 来源: 作者: 浏览:296次 评论:0条
导读：【摘 要】文章基于我国土石坝工程的实际情况，分析了土石坝工程渗流破坏的的类型及成因，并提出了相应的加固措施。【关键词】土石坝；渗流破坏；加固1 前言土石坝是最普遍采用的一种坝型。不论是在全世界，还是在中国，与其他坝型相比较，土石坝都占绝对的优势，与世..
【摘 要】文章基于我国土石坝工程的实际情况，分析了土石坝工程渗流破坏的的类型及成因，并提出了相应的加固措施。
【关键词】土石坝；渗流破坏；加固
1 前言
土石坝是最普遍采用的一种坝型。不论是在全世界，还是在中国，与其他坝型相比较，土石坝都占绝对的优势，与世界土石坝占大坝总数的82.9%，在中国土石坝数量占到大坝总数的93%，且大多是在建国后的第一个五年计划(1953～1957年)和第二个五年计划〔1958～1962年〕大跃进时期以及十年“文革”期间修建，这些工程都是在“三边”(边勘测、边设计、边施工)工作方式下进行并完成的。特别是小型水库更是存在“四不清”(来水域、流域面积、库容、基础的地质情况均未调查清楚)就动工修建。不少的工程虽然完成，但工程质量很差，“后遗症”很多，留下了隐患，经过了近40年的运行，造成了大批的病险水库。
根据1981年的统计资料，我国由渗流而引起的破坏事故率约占31.7%。至1981年全国有2391座水库失事，其中大型11座，其余为中小型，由于中小型水库缺少水文地质资料，漫坝冲垮者最多，占51.5%，其次就是渗漏导致垮坝，占29.1%，说明由于渗漏而造成的溃坝问题是相当严重的。
2 渗流理论
水工建筑物的渗流控制主要包括控制理论和控制技术两方面，控制理论是渗流理论在工程实践中的发展和运用，是向实践反馈的结果，渗流理论包括渗流的基本原理、渗流场的分析方法、土体渗透稳定性三大部分，是渗流控制理论的基础。渗流控制技术是渗流基础理论的实施措施，如灌浆技术[1]，反滤坝技术[2]等。土石坝是挡水建筑物，它和渗流并存，从一定的意义来说，土石坝的发展史就是渗流控制理论的发展历史。
1856年，达西( Darcy)解决了土的基本渗透理论，构建了近代土石坝理论的雏形，导致了土石坝设计理论的飞跃，1886年，P.Forchciness发现土中渗流规律符合拉普拉斯方程、达西定律的方程式：
代入不可压缩流体在刚性介质中的连续性方程，且当各向渗透系数取为常数时:
当土体各向同性，即 时，则上式变为拉普拉斯方程，就是土体稳定渗流的微分方程式。
1925年，太沙基发现：由于土壤孔隙水的消散引起粘土固结的理论，进一步他又提出了有效应力的概念，成为了土力学理论的奠基石，也是现代土石坝渗流控制理论的核心。
3 渗流破坏机理
坝体和坝基的渗流控制是保证土石坝安全的一项重要措施，由于填筑土石坝的土料和坝基的砂砾是散粒体结构，颗粒间存在大量的孔隙，都具有一定的透水性。水库蓄水后，在水压力的作用下，水流必然会沿着坝身土料、坝基土体和坝端两岸地基中的孔隙渗向下游，造成坝身、坝基和绕坝的渗漏。若这种渗流是在设计控制之下，大坝任何部位的土体都不会产生渗透破坏，则为正常渗流，此时渗流量一般较小，水质清澈透明，不含土壤颗粒，对坝体和坝基不致造成渗透破坏；反之对能引起土体渗透破坏，或渗流员过大且集中，水质浑浊，透明度低，使坝体或坝基产生管涌，流土和接触冲刷等渗透破坏，这种影响蓄水兴利的渗流则为异常渗流。
对于已建坝，如何确定异常渗流极其危害性是一个比较复杂的问题，首先要对坝址的工程水文地质有比较充分的了解，坝的设计及施工完善程度也与渗漏有密切的联系，可是由于地质勘探的有限钻孔只能揭示坝址地层的有限情况，局部的弱点，例如节理、裂隙，溶洞、断层及强透水带的情况往往难以弄清，另外，坝的防渗体和排水设施设计的正确程度，以及施工质量难以达到理想的境界，由于施工而引起的渗流薄弱环节更非人们所能预料，而且，土石坝内防渗体开裂也是经常遇到的问题。
水库建成蓄水后，大坝及其他建筑物连同山体，构成挡水防渗体系。土石坝的防渗体系发生破坏。产生管涌流土等事故的原因，渗流控制理论分析认为一般有以下几点：
(1) 坝体填土与排水体之间的反滤层设计不正确，层间系数过大，或施工时有错断混层现象，或填土不够密实，过大的渗流使填土向排水体流失，都会造成反滤层破坏失效。许多实例证明，反滤层在整个的防渗体系中是至关重要的一个环节，即使前面的防渗体裂缝或出现渗漏通道，只要反滤层工作正常，排水降压，渗漏破坏就不至于扩大。
(2) 防渗体应该直达基岩或底部连续可靠的粘土层，在开挖截水槽时，不可因施工困难，半途而废，从而留下隐患。
(3) 土石坝两岸岸坡不应成台阶状，应该开抢成较平顺的坡度，为减少开挖可以变坡，但是在上下两坡度转折处，两坡角之差不应大于15~20度，若有平台，则平台处填土高度与平台的两端的填土高度，高差悬殊沉陷量突变，容易产生裂缝，导致渗透破坏。
4 渗流破坏分类
根据渗流破坏机理不同，渗漏主要分为以下几种：
（1）坝体渗漏
１）浸润线从坝坡逸出
这将导致坝坡湿润或沼泽化，这种现象一般发生在均质坝或混合土料坝型中，过高的浸润面增加了滑坡的可能性，同时由于渗流的长期作用和气温及降雨的影响，坝坡土体的抗剪强度减小，局部渗透破坏，滑塌的可能性加大。
2）下游坝面出现集中渗漏
坝体在分层填筑时土层较厚，施工机械的功率不足，致使每层填土上部密实，下部疏松形成水平集中渗漏带，有的坝由于施工组织落后，特别是大规模的人工填筑施工，由于采用分段包干的填筑方法，土层厚薄不一，上升速度不一致，致使相临两段的接合部位出现了少压或漏压的松土带。
3）坝体裂缝渗漏
坝体开裂是形成坝体隐蔽渗漏的原因之一，由于心墙或斜墙后的坝壳一般是强透水的土料，通过裂缝的集中渗漏将在坝壳中扩散，因而难以发现集中渗漏区，根据坝壳浸润面观测成果也难以判断渗漏的存在[3]。
（2）坝后地面渗漏
土石坝外坡坝后地面出现砂沸、砂环、泉涌、管涌或沼泽化是经常遇到的渗漏现象，其成因与地层的构造及未能采取有效的渗流控制有关。
对表层为透水性较小的粉细砂，淤泥或壤土，其下为强透水的砂砾石或砂层地基，若坝后没有采取排水减压措施(减压井、减压沟)或有排水设施，但是由于这种地层的渗流出逸坡降较大，当出逸坡降人于表层土的临界坡降时，坝后地面即出现砂沸等破坏现象。
（3）坝基渗漏及防渗设施的非正常渗漏
许多在特殊历史时期建造的土石坝不是根据坝工理论按照规范来进行的，许多土石坝开工建设前未作前期的水文地质工作或地质勘探过于粗糙，因而使得土石坝工程某至大型土石坝工程竟然未作任何防渗处理。
（4）接触部位渗漏
在坝体与坝基，坝体两次墙、齿墙与涵管(小型水库中常见)，坝体与两岸山坡，防渗设施与破碎基岩之间的各种接触部位，由于设计和施工等多方面的原因往往容易成为渗漏的捷径而发生接触冲刷甚至垮坝失事。
（5）绕坝渗漏
坝的两岸山体裂隙、节理发育或有断层和岩溶，或为透水的第四纪堆积层，则绕坝渗流除影响山体本身的安全外，对坝体和坝基亦有不利的影响。
5 加固方法
渗透破坏加固方法的原理是在上游不使或少使来水渗入坝体或坝基，并使渗水在下游通畅排出，但不带走坝体或坝基上的土粒和不改变坝体或坝基的变形和强度。即上游防渗、下游排水减压和导渗[4]。
按防渗、排渗、滤土排水的不同，防渗排渗加固方法可分为以下几种：
(1) 防渗加固方法。在上、中游设置切断透水坝基的垂直防渗措施有：土质截水槽、混凝土防渗墙、桩柱式防渗墙、粘土防渗墙、防渗板墙、灌浆帷幕、泥浆槽防渗墙、自凝灰浆防渗墙，混凝土防渗墙和灌浆帷幕的组合等等。其中混凝土防渗墙在土石坝坝基、混凝土闸坝基础、土围堰堰体与堰基以及病险土石坝的防渗加固方面应用最广。
(2) 排渗加固方法。防渗加固方法采取后，仍需采用贴坡排水、棱体排水、褥垫排水及其组合，坝体内竖向排水层和水平排水层、排水沟、减压井、透水盖重等排水设备，排除上游渗水，降低浸润线及下游坝基上的水头。
土石坝发生病害是多种因素共同作用的结果。发生病害后，应进行安全监测，首先要注意检查渗流破坏迹象，裂缝的发生和发展等异常现象；其次用电测和同位素设备探测隐患，以及使用大坝原型观测设备进行监控。在安全监控的基础上，考虑选用土石坝加固方法。由于土石坝工程情况复杂，机具、材料等具体条件的多变性，以及上述土石坝加固方法很多且都有其适用范围及局限性的优缺点。因此，对每一具体工程病害，都应进行仔细分析，克服盲目性。土石坝的加固方法应是技术上合理、又能满足施工要求，可采用一种或几种的组合加固方法。
【参考文献】
[1] 刘杰．土石坝渗透破坏的原因及控制措施[J]．水利水电技术，1999，（3）．
[2] 宋守度．无粘土反滤料的试验研究[J]．水利学报，1981，（1）．
[3] 刘杰．土石坝裂缝防止与渗流控制[J]．水利水电技术，1991，（2）．
[4] 顾淦臣．土石坝的现状水平及发展趋势[J]．土石坝工程，1984，（1）．
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