土石坝渗流安全与加固措施探讨

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

中图分类号： TU74文献标识码：A

引言：

土石坝是北方及山间盆地区河流上兴建水利工程枢纽大坝的坝型之一，以土坝居多。土石坝坝型主要有：碾压均质土坝、水中填土均质土坝、水中填土碾压均质土坝、冲填碾压均质土坝、心墙堆石坝等。

1.坝基渗流安全评价

土石坝坝基多为第四系松散沉积物。少数为岩基。或仅有部分防渗体(如心墙、截水槽等)直接与岩基接触。它们的渗流安全问题，多以管涌、流土或接触冲刷等破坏形式直接影响到大坝的某部分乃至整体性的安全，因此，坝基渗流安全问题是土石渗流安全评价的重点。

1.1砂砾石屡的渗透稳定性

首先应根据土的类型及其颗粒级配等情况判别其渗透变形形式，其次再针对不同的变形形式和水力条件核定其相应的允许抗渗比降。最后与工程实际渗流比降相比。判断渗流出口有无管涌或流土破坏的可能性，以及渗流场内部有无管涌、接触冲刷等。

由于渗流出口的稳定性、及其反滤保护的可靠性，在大坝的渗流安全中占有重要地位，判断砂砾石层的渗流稳定问题，尤需注意渗流出口的稳定性及其有无合格的反滤保护。反滤保护与实际地质情况及反滤料的取材和施工质量密切相关，故其“允许抗渗比降”一般应由专项试验来确定。

1.2覆盖层的渗透稳定性

覆盖层是指坝基砂砾石层外的相对弱透水的土层。主要复核其抗浮动稳定性。其允许渗透比降宜由试验或参考流土型指标确定。对已有反滤盖重者，需核算盖重厚度和范围是否满足各运行水位的要求。

1.3接触面的渗透稳定性

接触面主要有粗、细散粒料土层和散粒料土体与刚性结构物界面两种型式。

(1)粗、细散粒料土层界面主要复核土层之间有无接触冲刷和接触流土的可能性；粗粒料层能否对细粒料层起保护作用。对接触冲刷．当粗粒层中的流速足够大时，能否把细粒层的颗粒携入粗层颗粒孔隙中被水流带走：对接触流土.细颗粒能否随垂直界面的水流进入粗颗粒孔隙被带走。

(2)散粒料土体与刚结构物主要是复核接触面渗透稳定性。散粒料与刚性面结合的紧密程度、出口有无反滤保护。以及与断层破碎带、灰岩溶蚀带、较大张性裂隙等接触面有无妥善处理及其抗渗稳定性。这两类接触面上的渗流安全问题，目前尚无严密、简便的确定方法．一般宜借助具体试验或经验类比进行评价。

2.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。

2.1坝体渗漏

2.1.1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。

2.1.2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。

2.1.3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。

2.2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，当出逸坡降大于表层土的临界坡降时，坝后地面即出现砂沸等破坏现象。

2.3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甚至大型土石坝工程竟然未作任何防渗处理。

2.4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。

3.土石坝防渗加固措施

3.1防渗排渗相结合

其原理是在上游不使或少使来水渗入坝体或坝基，并使渗入坝体或坝基的水在下游通畅排出，但不带走坝体或坝基的土料和不改变坝体或坝的变形和强度，即上游防渗、下游排水减压和导渗。对于土石坝的渗流加固，一般坝体在上、中游设置斜墙或心墙防渗体，在下游除靠坝壳排水外，另处设置坝内排水，防止渗水从坡面逸出，并降低浸润线。对于透水坝基的垂直，一般在上游设置水平防渗铺盖，在上中游设置切断透水坝基的垂直防渗设施。具体加固方法分述如下。

3.2防渗加固法

具体措施可在上游河床设铺盖或护面的水平防渗，如粘土铺盖，混凝土护坦等，在中上游切断强透水地基的垂直防渗．如土质截水槽．混凝土防渗墙、粘土防渗墙、板桩式防渗墙、防渗板墙，泥浆槽防渗墙、灌浆帷幕的组合等。有时在具体工程条件的限制下，也可考虑向下游延伸渗径长度或压坡增厚。混凝土防渗墙具有工程量少，施工简便，节省投资，防渗效果显著等优点，在我，国水利水电工程建设中，尤其是在病险土石坝的防渗加固方面应用最广。

3.3排渗加固法

在下游侧设置排渗设施排除从上游进来的水，进一步降低渗流出口处的渗流压力。排渗设施有沿下游河床面铺设或伸进闸坝基底的水平排渗滤层、帖坡排水层、棱体排水层、褥垫排水层及其组合、坝体内竖向排水层、排水沟、减压井等的结合。尤其对于削减三向绕渗和危害，以排渗效果为最好。土石坝防渗加固措施总的来说也就是上游堵下游排中间截的原则。

3.4反滤层保护

反滤层作用是滤土、排水，以增加抵抗渗流出口处土体的渗透破坏和不同土层间接触冲刷的能力。反滤层是防止土体渗透破坏的最有效的措施。反滤层一般是由2～3层不同粒径的砂石料组成。层次与渗流方向正交，粒径顺水流方向由细到粗排列，相邻士体之间粒径较小的土体颗粒不能通过粒径较大的颗粒的缝隙。材料分层粒径级配具有严格的要求。反滤层的材料应该是耐久的、抗风化的砂石料，并具有足够大渗透系数。

3.5控制措施与地质条件相结合

渗流控制的目的是减少渗漏，以使土石坝最大限度的利用其兴利库容，发挥其在国民经济中的作用。以及防止渗流对建筑物的渗透破坏，保证建筑物的安全运行。渗流控制方案的选择，依赖于工程地质和水文地质条件，根据不同地质条件采用相对应的控制措施。单层透水地基当深度小于lO～15m时，宜采用粘土截水墙等垂直防渗；当深度大于10～15m时，当漏水量不重要可采用上游粘土铺盖等水平防渗。较深的强透水砂砾石地基，可在坝基进行灌浆防渗戎筑垂直防渗墙。

4.结语

渗流问题是土石坝安全的关键。渗流控制是土石坝建设的重中之重。在对土石坝进行防渗加固前，应结合库区的水文地质资料和大坝安全监控结果结合起来，进行综合分析，确定技术上可靠、经济上合理又能满足施工要求。

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