如何控制水利工程中的渗流问题

摘要：水利工程有别于其他工程门类的主要方面是它常常是临水的，这样渗流就成为其关键技术问题之一。渗流问题涉及水量的渗漏损失、渗透变形及渗流引发的工程事故等。相关的课题是渗透理论、渗流分析计算和渗流控制。经过百余年的工程实践和科学研究，无论是土中的渗流，还是岩体裂隙中的渗流都取得了许多研究成果，但还有许多有待研究的课题。

关键词：渗流；防渗；渗透

中图分类号： TV698 文献标识码： A 文章编号： 1674-0432（2013）-18-89-1

1 渗流的工程问题

在水利工程的挡水堤坝，输水的沟渠管线，河道的岸坡及工程边坡，地下水的运移和污染等课题中，渗流分析与渗流控制是关键技术问题。许多病险水库的大坝和江河堤防的失事常常是由渗流引起的。据我国20世纪80年代的统计，当时全国241座大型水库先后出过1000余宗工程事故，其中以渗透变形事故最多，占31.7%。至于垮坝失事，除小型水库漫顶垮坝所占的比例稍高以外，其次就是渗透变形导致垮坝，占29.1%（其中坝体渗漏占22.7%）。根据国内外的统计，由于渗漏管涌造成的溃坝占30%～40%，其他如裂缝、滑动等也都与渗流有密切关系。

美国的弟顿（Teton）坝是土质肥心墙坝，最大坝高126.5米，坝顶长1625米，于1976年6月5日溃坝，造成巨大经济和社会损失。从有混水处露到溃坝，约历时5小时。据专家论证认为，心墙齿槽的低应力区发生水力劈裂可能是主要的原因。

我国青海省的沟后水库大坝，是混凝土面板砂砾石坝。最大库容330万m3，最大坝高71米，坝顶设有5米高防浪墙，坝顶长265米。大坝于1993年8月27日晚间溃决。造成了300余人死亡和重大的财产损失。据专家调查分析，认为是在高水位下L形防浪墙与面板接缝处被拉开，导致坝顶严重漏水，水流从坝顶高处逸出，冲刷坝体和导致坝顶局部滑坡引起溃坝。

2 堤坝的渗透破坏

土的渗透变形包括了流土和管涌，在不同介质之间还可能发生接触流土与接触冲刷。流土的判断准则较为简单和清楚，管涌的发生与土的级配密切相关。国内外学者提出了许多管涌的临界水力坡降的准则。在我国，结合1998年长江洪水中堤防的渗透破坏机理，开展了广泛的试验、理论和数值计算研究工作。特别是针对渗透变形引起的地基与堤坝破坏的过程与机理进行研究。长江科学院通过模型试验对矩形槽土体中管涌扩展过程的模拟和实验结果，得出管涌的发生并不必然导致堤坝溃决这一重要结论。认为渗透变形是一个动态过程，当它们达到新的平衡后管涌的扩展也就停止了。提出了管涌模拟的随机模型。他们通过室内模型试验和渗流计算，对于在二元结构的堤基情况下，在设置悬挂式垂直防渗墙时，堤基中管涌的发生、发展和破坏的规律进行了系统地研究。结果表明，在单一和具有二元结构的堤基中设置悬挂式垂直防渗墙不能明显降低逸出的水力坡降，未能明显降低逸出的水力坡降和防止管涌的发生，但是它可以有效地阻止管涌向上游的发展，保证堤防的安全。值得说明的是，他们所谓的“管涌”实际上是泛指渗透变形或渗透破坏。目前，用数值计算准确地模拟堤坝及其地基的渗透破坏的全过程还有困难。

土质防渗体坝中的裂缝与溃坝可能是由于水力劈裂引起的。水力劈裂这一概念最初来自于石油开采业，可利用水力劈裂将岩体裂缝劈开加大出油量。在土体中同样可能发生水力劈裂，例如在水利工程中发现，一些施工良好的坝蓄水以后意外的漏水，人们认为最大可能是由水力劈裂引起的。早在1968年Haimson进行了岩石钻孔的水力劈裂试验。Nobari在1973年利用空心圆柱土样进行了土的水力劈裂试验。1981年Jaworski、Duncan和Seed结合Teton坝的失事进行了试验研究。Kulhawy等人1976年通过有限元数值计算对于坝体出现水力劈裂的原因和条件进行模拟和探讨。我国在“七五”国家科技攻关项目中对于坝体的水力劈裂进行了系统的研究。黄文熙提出水力劈裂的发生准则：在总应力和内部孔隙水压力作用下，有效的小主应力为拉应力并达到土的抗拉强度时，就会在最小主应力面发生水力劈裂。他也指导完成了一系列复杂应力状态下水力劈裂的试验研究。由于土体自身存在微观的缺陷，在受力变形以后它会受到损伤，这就使土体中的水力劈裂的微观机理可能十分复杂，所以关于坝体水力劈裂的研究还有待深入。

3 水利工程中的渗流控制

渗流控制目的是为了使堤坝或者水工建筑物地基不致被渗流破坏，或者为了减少漏水量。具体任务可能是：降低下游剩余水头或者降低浸润线；控制水力坡降或流速；控制渗流量，减少漏水量。但有时为了工程安全，某些措施也可能增加渗流量。渗流控制的基本方法是防渗与排渗。

坝体的防渗设施有土质防渗体和非土质防渗体。其中面板堆石坝以混凝土面板作为坝体的防渗体。早期的高面板堆石坝常因四周边缝被拉开而产生绕坝渗流，发生大量漏水。以后吸取教训，改进了周边缝设计，注意了地基处理，使渗流量大大的减少。面板堆石坝的渗流控制措施可以归纳为以下几点：

（1）各防渗系统之间，例如地基防渗帷幕与坝体混凝土面板之间，用趾板联结，形成完整的防渗体系。（2）由上游面板到下游，在坝体中由细到粗设置垫层料、过渡料、主堆石料、次堆石料，面板上游底部还应设置防渗铺盖。 （3）在用砂砾料和风化料作坝体材料时，在坝轴线或略偏于上游处，主坝堆石料与风化料或软岩石的次堆石区之间设烟囱式排水，控制可能的渗流。分析沟后水库的溃坝原因之一是坝体排水不畅。（4）在堆石体与地基或岸坡接触处，当有风化层、泥化岩层、断层裂隙的泥质充填处时，如果有发生渗流冲刷可能，要设置反滤保护。（5）在混凝土接缝中，特别是易于受拉的周边缝中，设置能适应大变形同时能保持防渗性能的止水材料。

作者简介：马丽萍，女，大专，就职于吉林省前郭县水利勘测设计队，研究方向：水利。