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1、浅析土石坝渗流安全与加固措施摘要：我县水库蓄水工程大多数兴建于上世纪5080年代，大坝型式以土石坝为主。经过多年运行，水库大坝病险逐渐显现。渗流破坏是导致土石坝出现病险的主要原因之一，经对我县35座土坝进行安全分析评价，渗流安全等级评定为C级的有26座，占评价总数的74.3%。因此，对病险土石坝进行正确的渗流稳定分析，从而确定合理可行的渗流控制措施，是土石坝除险加固设计中的重要环节。关键词：土坝 ， 渗流， 分析1土石坝渗流病害特点 土石坝坝型多样，各类型式渗流特点各异，按照防渗体类型，我县土石坝主要分为均质土坝和粘土心墙土坝两种基本形式。 1.1均质土坝 该类土坝的病险大多因为施工时清基不彻
2、底，造成坝基部分乃至全部坐落在砂砾石透水层上，或强风化等裂隙发育的岩基上，以及坝体填筑质量差，压实度及渗透性不满足规范要求，其渗流方面的病害表现主要为： 坝基渗漏严重，如我县大溪水库。 绕坝基渗漏。如我县中岭水库。 坝体散浸，坝体因为渗漏严重，造成渗流出逸点在后坝坡出露，严重造成下游坝坡沼泽化，如我县白竹水库。 土质坝体白蚁建巢，形成渗漏通道。 1.2粘土心墙土石坝 大坝由土质防渗体及透水性不同的坝壳构成，我县的心墙土石坝防渗体均为粘土，坝壳材料则有土石混合料、风化石渣料等。在其流流方面的病害表现主要为： 防渗体基础施工时清基不彻底或没有清基，基础渗漏。如我县大溪水库。 （2）防渗体与坝壳之间
3、反滤层不满足要求或没有设置反滤层，心墙受水力破坏，心墙流漏。 （3）防渗体压实度、渗透性不满足规范要求，防渗体渗漏。如我县孝溪水库副坝。 （4）大坝产生不均匀变形引起防渗体产生裂缝，特别是横向裂缝造成防渗体渗漏。 （5）土质防渗体与刚性建筑物连接渗径偏短，特别是接触面垂直，沿刚性建筑物连接处渗漏。 2渗流分析 2.1渗透系数相对比值与渗流分析关系 渗流流网形态、逸出坡降、平均坡降值与坝体材料、地基土渗流系数K值的相对比值对比值及分布有关，与渗透系数K绝对值大小无关（但影响渗水量）。因此，主要根据坝体、地基各土层渗透系数相对比值进行渗流分析，确定合理渗控措施及结构。 （1）填料、地基土层的渗透系
4、数相差5倍经内的相邻土层可视为一层，采用加权平均渗透系数作为计算依据。 （2）当透水地基深度大于建筑物不透水底部长度1.5倍以上时，可按无限深透水地基计算。透水层浅、薄、出口处等势线越密，垂直方向的逸出坡降越大。因此，透水层浅、薄时，出险可能性反而大。 （3）比上层地基土渗透系数小二个量级（1/100）以下的下卧层可认为是不透水层。 （4）下层土比上层土的渗透系数小一个量级一般取K下（1/301/50）K上可认为属相对不透水层。低坝的防渗渗墙或帷幕可伸入该相对不透水层。 （5）上层土的渗透系数比下层土小一个量级时，下层土内便可产生承压水。 （6）斜墙、心墙用土的渗透系数宜比相邻土层的渗透系数小
5、二个量级（1/100）以下；铺盖用土宜比相邻土层小三个量级（1/1000）以下。相差三个量级可认为是不透水防渗体。 （7）透水盖重用的渗透系数，宜比地基表层土的渗透系数大一个量级。其渗透系数小于地基表层土的渗透系数时，会增加坝后位势，不能显著降低逸出坡降；仅为表层土的2-3倍时，渗控效果也不显著。大于10倍以上后，可基本不改变坝基原有渗压分布，降低相对不透水层中的渗流逸出坡降，增加相对不透水层抗管涌在破坏能力。 2.2渗透变形与渗透破坏形式 2.2.1无粘性土渗透变形与渗透破坏形式 1）流土：在上升的渗流作用下，局部土体表面隆起、顶穿，或者粗细颗粒群同时浮动而流失。主要发生在d60/d1010
6、的土体，填料体积大于骨架孔隙体积情况下的渗流逸出处。在较均匀的粉细砂中主要形式为表面隆起、顶穿现象。在不均匀砂土层中，主要为粗细颗粒群同时浮出而流失。 流土只有破坏坡降。临界坡降与其相近。可分为无约束流土（整块土体隆起或破坏）和有盖重约束流土（砂沸、泡泉群、喷砂）。 2）管涌（潜蚀）：土体中的细颗粒在渗流作用下，由骨架孔隙通道流失。主要发生在d60/d1020土体中，其填料体积明显小于骨架孔隙体积情况下，可发生于颗粒粒组成不均匀砂性土的渗流逸出处或内部。有临界坡降，破坏坡降。可分为发展性管涌和非发展性管涌。 3）接触冲刷：渗流沿着两种渗透系数不同的土层接触面或建筑物与地基的接触面流动时，沿接触
7、面带走细颗粒，即渗透为顺接触面冲刷。主要发生于闸坝地下轮廓线与地基土的接触面、双层地基接触面、以及坝内埋管与其周围介质的接触面、刚性与柔性介质的接触面上。 4）接触流土：在层次分明，渗透系数相差悬殊的两土层中，当渗流垂直于层流面流动时，将渗透系数小的一层土中的颗粒带到渗透系数大的一层中的渗透变形现象。渗流为顺直接触面冲刷。不符合要求的反滤层接触面上，常由于接触流土造成反滤层淤塞。 2.2.2粘性土渗透变形与渗透破坏形式 1）流土：表层为粘土与其它细粒土组成的土体产生流土破坏现象。为土体表面隆起、顶穿、断裂、剥落。主要发生在出逸面无盖重的情况下。 2）接触流土：在粘性土与粗粒材料接触处，发生土体
8、向粗粒空隙中移动的流土破坏现象。土体破坏前，渗流出逸体积略有增大，且升起土冠或在土的表面产生裂缝，然后产生流土，呈圆锥状脱落。 3）剥落：当渗透水流经粘性土向设有粗料材料盖重一侧渗透时，未被粗料材料遮盖住部位产生逐暂剥落，形成深洼。剥落深度约为粗粒土孔隙直径Do的1/2。 4）接触冲刷：沿相邻不同土层的层间流动产生冲刷。 5）发展性管涌：主要在分散性粘土中产生。 2.2.3基岩中的断层及软弱夹层内的充填物产生的渗透变形 1）冲刷：断层及软弱层内的土颗粒或粒团在渗流作用下，各自被水流冲动带走的现象。 2）流土：断层及软弱层内有一定体积的土颗粒在渗流作用下，同时动动、流失现象。 3）灌淤：渗透水携
9、带的土粒及其它物质在岩层裂缝及介质孔隙中沉聚现象。 4）由于基岩渗透破坏，直接使土坝失事可能性不大。直接兴建于基岩上的土石坝失事有可能因基岩中的裂隙渗流对防渗体的冲刷，招致工程病险。 2.3允许渗流坡降 开始发生渗透变形以前的最大渗流坡降为临界坡降。当渗流坡降小于临界坡降时，管涌土的土料处于渗透静稳定状态。土体内部结构产生渗透破坏的最小渗流坡降为破坏坡。当渗流坡降小于破坏坡降时，管涌土处于渗透稳定状态。砂性土的破坏坡降约等于土的浮比重。 砂性土防止管涌出现的允许坡降，采用临界坡降的1/1.51/2，或破坏坡降的1/21/3；防止流土出现 的允许坡降采用破坏坡降的1/21/3。 （1）砂性土允许
10、逸出坡降：0.250.3；粉土0.450.5；中砂以上砂砾，流土型为0.250.8，过度型0.250.4，级配连续管涌型0.150.25，级配不连续管涌型0.10.15。 （2）砂性土及软粘土允许渗透坡降：管涌发展串道形成管道，主要决定于地基的平均渗透坡降是否超过临界值。一般情况下：粉砂允许平均渗流坡降0.0050.07，细砂允许平均渗流坡降0.070.1，中砂允许平均渗流坡降0.10.13，粗砂允许平均渗流坡降0.130.17，中细砾允许平均渗流坡降0.170.22，软粘土允许平均渗流坡降0.30.4。 （3）粘性土的抗渗强度较高，但遭遇偶然因素影响的局部抗渗强度则低得多。因此，粘性土层的允
11、许渗流坡降取破坏坡降的1/61/12（在有可靠反滤层保护下）。一般粉质粘土为36，0粘土为610。无可靠反滤保护层时，粉质粘土仅为0.50.6。 （4）粘土均质坝的渗流逸出面无反滤保护材料时，为满足背水坡渗流逸出坡面不产生流土坡坏，应满足tg0.5tg。式中为坡角，为坡面土的内摩擦角。一般1826，则914，即边坡应缓于1:41:6，工程中难以做到，因此粘性土坡面渗流逸出部位要设有反滤层的贴坡排水或排水棱体。 （5）岩层内的断层、软弱夹层内的充填物渗透坡坏坡降范围为10.537，一般为1820；临界坡降一般为811；允许坡降25。 2.4无截渗设施的地基渗流特点 （1）单一地基：多为级配和透水
12、性较均匀结构，一般不会在坝基内产生承压水，单一粘性土地基，渗流问题不大；单一砂性地基为管涌险情多发地段。 （2）双层地基：多由表层弱透水粘性土与下卧的强透水砂层组成地元结构。在高水位长期作用下，粘性土层的薄弱处有可能被承压水顶穿，形成集中出水口，发生管涌或流土。 （3）多层地基：强弱透水层形成互层结构，可能形成多个承压层。当表层透水性较紧邻下层要弱，渗流特性与双层地基相近。当表层透水性较紧邻下层强，按单一砂层分析表层渗透稳定性和双层地基分析析两层以上土层的渗透稳定性。 3渗流控制原则及防渗加固措施 3.1渗流控制原则、 （1）土石坝及地基、两岸坝肩的渗流控制应使渗径、渗流坡降（平均坡降、逸出坡
13、降）、渗水流速（裂隙岩体、接触面）及渗水量（尤其是缺水地区）控制应小于允许值。其基岩渗控应防止防渗体底部受岩体裂隙渗流冲刷。 （2）土坝渗流控制措施主要为“前堵、中截、后排”，其地基为“前延、中截、后压排”。 （3）土石坝长期运行,填料及其地基土层工程力学性质已有所改变,采用的计算、分析参数应以近期勘测、实验成果为主，并考虑压密、渗透加固与破坏情况进行综合分析。 （4）土石坝常年挡水，可形成较稳定渗流形态，宜按最不利稳定渗流场设计。 （5）采用的防渗加固措施，应充分利用已有的防渗、反虑、排水措施，形成连续、完整防渗体。 （6）防渗体不能与表面张开裂隙直接接触。坝身与坝基及不同土质接触长度应满足
14、不产生接触冲刷要求。 （7）地质条件和工程复杂的病险土石坝，采用单一的技术措施往往难以凑效或不经济，宜采用综合防渗加固措施。 （8）应有利于尽早释放渗透压力，以增加下游坝坡及地基静力稳定性。一般宜采用截断渗流的着底式防渗体。当采用完全截断渗流措施不经济合理时，采用的措施应亦有有利于渗流分散，渗流坡降均匀。 （9）新采用的防渗体大多难以在其两侧形成反滤层、过渡层。因此，采用的防渗材料应有较小的防渗系数，较大的允许渗流坡降和较强抗溶滤能力。 （10）采用的防渗措施应施工场地要求不大，最好能在一个枯水期完成，能适应在一定水头差情况下施工。 3.2防渗加固措施 土石坝防渗措施一般分为水平防渗与垂直防渗
15、两大类措施，在加固工程中，对于水平防渗，一方面须对存在问题的水平铺盖进行修复，另一方面须加固坝体的防渗体。在进行减渗的同时，还必须结合采用适当的排渗措施，例如排渗沟、减压井、排水反虑体等措施。垂直防渗是加固工程防渗处理措施中十分常见的工程措施，采用垂直防渗，对透水地基来说，与水平防渗措施相比，截流效果更显著。垂直防渗措施主要有水泥灌浆防渗、土工合成材料防渗、高压喷射灌浆防渗、冲抓套井回填、侧挂井人工垂直开挖防渗墙、劈裂灌浆防渗、深层搅拌连续防渗墙、混凝土防渗墙等。 我县在病险水库除险加固工程中采用了1、土工合成材料防渗（如白竹水库等）；2、水泥灌浆防渗（如钟灵水库、帅家水库、大溪水库、孝溪水库主坝、徐家水库、六岗湾水库等）；3、劈裂灌浆防渗（如孝溪水库副坝等）。通过整治，各水库大坝防渗效果较好，完全能保证大坝渗流安全要求。 4结语 在病险水库除险加固设计中，应根据坝体、坝基工程地质条件、坝体结构型式、大坝高度等因素，合理的进行渗流安全分析，采用合理的除险加固防渗措施，确保水利工程安全运行，充分发挥水利工程效益。 参考文献： 【1】郭宗闵；水工建筑物；水利电力出版社 【2】孙东坡；水力学；黄河水利出版社 【3】水工设计手册；第一版；水利电力出版社 【4】陈军斌主讲;渗流力学；网络视频 【5】翟云芳；渗流力学(第三版)；石油工业出版社