堤坝渗流分析与防渗技术研究

摘要：堤坝渗流的破坏具有隐蔽性，特别是土质堤坝，由于坝体和坝基的透渗水性，渗流问题更为严重。因此水库堤坝和堤围工程的渗流问题成为我们面临的一重大课题。本文笔者对堤坝的渗流进行了简单的分析，并提出相关的防范措施。

关键词：堤坝；渗流理论；防渗加固措施

Abstract: The destruction of the dam seepage is hidden nature, especially soil dam, the dam and its foundation through seepage, seepage problem is more serious. Reservoir dam seepage and embankment projects have become a major issue we face. In this paper the author analyzes the dam seepage, and proposes preventive measures.Key words: dams; percolation theory; impermeable reinforcement measures

中图分类号：TV697.3+2 文献标识码：A 文章编号：

堤坝是水利工程中重要的一环，而在我国堤坝是应用最广的一种坝型，广泛用作水库的拦河坝及江河湖海的防护堤。江河湖泊的防护堤几乎全部是堤坝。研究中，堤坝的经济效益和安全是人们关注的热点。经济效益主要涉及到堤坝渗漏情况，而堤坝的安全问题也主要是由渗透破坏引起的，所以堤坝的渗流问题是研究的重点。

渗流分析是堤坝设计的重要组成部分，所设计工程能否安全可靠和经济合理，很大程度上取决于能否正确进行渗流分析和选择合理的渗流控制措施。堤坝运行管理中，由于实际建成的堤坝很难和设计阶段所预想的完全一致，同时有许多因素会促使运行中的堤坝渗流条件不断改变，因此，也经常需要通过渗流计算分析坝体的稳定性，拟定必要的加固措施和方案。通过渗流计算可以确定堤坝浸润线位置、渗流的动水压力、水力坡降以及坝体的渗流量，进而可以分析堤坝的整体稳定性和局部渗流情况下堤坝的安全性。

一、堤坝渗流类型与危害

1. 堤(坝)身渗漏

1.1散浸

渗流透过坝体从背水坡渗出,逸出点太高超过下游排水设备顶部,下游坡面土体出现阴湿现象为散浸。

1.2集中渗漏

渗水可以从坝体下游面,坝基的一个或几个孔穴集中流出,出现成股水流漏出的异常渗漏现象。

2. 接触渗漏

渗水从堤坝体与地基,刚性建筑物,新老结合的接触面通过时,在堤坝后下游相应部位渗出,或穿堤建筑物,坝下埋管出现裂缝,渗水从裂缝流出沿接触面渗出,将土颗粒在出口处带出,产生接触冲刷。

3.坝基渗漏

坝基渗漏是通过坝基水层从坝脚或从坝脚以外覆盖层较薄弱的部位渗出。

4渗流危害

堤基渗漏、堤身隐患及河岩崩塌,通常被认为是长江中下游堤防的三大主险。堤基渗漏、堤身隐患是造成险情的祸首。堤身险情主要表现是散浸、脱坡、漏洞、跌窝。堤基险情主要表现是管涌,它是渗透险情中最危险的一种渗透破坏。一般表现为翻砂、泡泉、脓疱、土层隆起、大面积砂沸等等。从流体力学角度而言,管涌是流土、局部流土或接触冲刷。

不论堤身还是堤基险情,水是不可或缺的破坏主体,堤基、堤身的破坏均与水有相当密切的联系。以管涌为代表产生的渗透破坏都存在一定的水力条件、边界条件和地质条件。水必须具一定的水头,同时在堤内还具备一定的溢出条件,如坑、塘、渊、水井等等才具破坏性。

由于砂、砂性土层允许比降较小,很容易出现险情。土层若为单一砂层的流土破坏,当其发展时间较短时,则容易出现险情,甚至造成大的险情乃至溃决。粘土、粉质粘土为相对隔水层,因允许比降较大,所以造成险情的可能性较小。但当地层为二元结构,表层弱透水层厚度较薄或遭到破坏时,若此条件下表层弱透水性越小,则下部透水砂层渗透压力愈大,流土或局部流土就越易发生。

二、渗流计算的主要方法

1. 公式方法

公式方法依据《堤防工程设计规范》提供的计算公式。适用于下列情况：一般稳定渗流计算；双层地基稳定渗流计算；水位上升过程中不稳定渗流计算；水位降落过程中不稳定渗流计算。

2. 有限元方法

有限元方法是依据非饱和土理论、根据基本的渗流理论达西定律等，采用有限元方法分析稳定流及非稳定流中多种边界条件、多种材料的堤坝、或土体的渗流分析。但有限元法分析渗流问题是以线性达西定律为基础，因此不适应非线性达西定律的流场分析及不满足达西定律的流场分析。

三、 堤坝防渗措施

3.1堤坝防渗措施概述

土石坝发生病害是多种因素共同作用的结果。根据对应的加固机理，有下列几种主要加固措施。

（1）前堵型防渗。“前堵”即在临水侧采用防渗铺盖、前戗、防渗斜墙和铺设土工膜等。但因堤坝临水侧往往受到库水位的影响，这些措施的使用会受到一定的限制。

（2）后排型防渗。“后排”主要是指在堤坝背水侧采用压渗、导渗沟、减压沟和减压井等措施。

（3）中间截型防渗。“中间型”指在堤身中进行粘土灌浆、劈裂灌浆、混凝土截渗墙和高压喷射灌浆等。

3.2堤坝防渗加固方案的选择

由于土石坝工程的复杂性，而每一种加固方法又都有其适用范围、局限性和优缺点，因此，采用何种防渗加固措施应根据堤基地质条件、地形条件以及渗透破坏危害程度，通过对工程病害情况、加固要求、工程费用以及材料等方面进行综合考虑，并进行经济技术比较后，选取单一或几种措施综合治理。

（1）堤身防渗加固措施的选择。对堤身渗水可能产生的堤坡冲刷、流土等破坏，可采用贴坡反滤、透水后戗的方法进行除险。当和堤基防渗措施统筹实施时，可考虑采用垂直防渗墙。对于新老堤身结合的水平层面产生集中渗流，可采用临水侧开挖回填封堵或接触面填充灌浆的方法进行处理。对于堤身建筑物基础接触面的集中渗流，可采用高喷或静压注浆在临水侧做垂直防渗，也可以在接触面采用静压注浆进行处理，必要时在背水侧做反滤保护。对堤身与穿堤建筑物侧墙间的集中渗流，可采用接触面静压注浆的方法进行处理。对于堤防分段建设的接合部产生的集中渗流，可采用临水坡截渗或在接合部用挤密灌浆的方法来处理，必要时在背水坡采取反滤保护措施。

（2）堤基防渗加固措施的选择。当堤基、背水坡或堤后地面渗流出逸比降不能满足规范要求时，或者汛期曾经出现过严重渗漏、管涌或流土破坏险情时，可视具体情况选择一种措施或几种措施的组合进行处理：

（a）当堤基相对不透水层埋藏较深，透水层较厚，同时临水侧有稳定滩地的堤基应采用铺盖防渗；

（b）当堤基透水层较浅时，在迎水侧堤脚宜采用粘土截水槽或其它封闭式垂直防渗措施截渗，并于堤身防渗体联成统一的防渗体系。也可以采用盖重或盖重结合减压沟、井的方法；

（c）当堤基覆盖层较薄，透水层埋藏深且厚度大时，可以采用背水侧压实填筑压渗盖重法或吹填法增加盖重，也可以在背水侧堤脚外适当的位置设置减压沟、井的方法。同时也可以考虑盖重和排水减压沟、井联合使用的形式。若临水侧有稳定滩地，可在临水侧加设铺盖进行防渗处理；

（d）当堤基覆盖层较厚且下卧强透水层较深时，宜采用盖重措施进行处理。盖重渗透系数应比覆盖层大，也可在背水堤脚处适当位置设置减压井，达到减小扬压力和除险的目的；

（e）当多层堤基存在浅层弱透水层时，宜采用渗压盖重或结合减压措施进行除险，也可采用半封闭式垂直防渗措施，但须勘察并经渗流计算论证；

（f）当堤基为强风化基岩且基岩或堤身发生渗透破坏时，可采用堤基帷幕灌浆。对临水侧有外滩的情况也可以使用铺盖防渗，必要时可在背水脚附近采取反滤保护措施。

3.3垂直防渗技术

垂直防渗墙技术目前还没有确切定义,它是通过置换、填充、挤密、冻结及化学作用等手段在土(岩)层中形成一个垂直的防渗帷幕墙体,从而达到截水、阻水的目的。防渗墙又分为悬挂式(仅处理堤身)、半封闭式(墙达基础中相对不透水层)及全封闭式(墙达基岩)三种形式;墙厚是依据堤内外水头作用的计算而确定的。目前国内外垂直防渗墙的成造工法多种多样[3],大体分如下几类:

置换法

置换法就是利用机械将原地基土层挖,然后填充防渗的材料,在土体中形成一道起阻渗作用的墙体,从而达到防渗的目的。置换法主要是指地下连续墙。地下连续墙被广泛用于岩土工程和水工建筑中的地下基础防渗处理。目前用于堤防的多为薄壁地下连续墙,主要有:

射水法造连续墙：通过布置于成槽器上的一组喷嘴,以高压高速水流喷射槽底,冲蚀地层,起到“切割”作用,然后在施工槽内进行砼浇注,形成一系列砼槽段,从而使I序、II序槽先后联成一个完整的防渗墙整体。一般适用于粘土、砂层和粒径较小、含砂砾量较少的地层。

掏槽/链锯成墙法：通过机械挖土器,用掏槽或链锯方式不断地将土体挖出地面,从而达到成槽的目的。然后,在槽中进行砼浇筑成墙。这种方法常用于砂土层、粘土层、粉质粘土层,不适用于老粘土层及砂砾石层。

锯槽成墙法：是用一种类似锯条的切削刀具,对地层进行切割、剥落,使土层混合于泥浆中,随泥浆抽出,从而成槽、浇筑砼、直到成墙。此法一般适用于粘、粉质土,以及夹少量的粒径较小砾石砂层。

抓斗成墙法：该法是利用液压抓斗机械对薄壁墙进行施工。一般先分序(I序II序)施工成槽,然后浇筑砼连成一体。此种工法适应性较强,适用于任何地层,深薄较大(达40m),施工效率较高。

导管反循环工法：又称气举反循环法,主要是用一个喷导管并以该管为导向滑道的一对潜水钻(或冲击钻)对土层进行扰动,同时输入高压空气,并利用管子出入口的巨大反差,将土、块(卵)石喷出地面而成槽的;再进行砼浇筑。该法不仅适用于粘、砂类土层,而且在卵石含量较高的深层土层中成槽更显优越性。

板桩墙工法

用木桩、钢板桩、板桩灌注墙。木桩是采用适宜的木料借助机械打入土层中而形成连续板桩。板桩灌注墙为挤密填充型防渗墙,是通过特制机械模板在震动冲击作用下[2],使土体受强迫振动作用而产生剪胀破坏或液化破坏,从而对土层进行挤压,达到一定深度,然后进行灌注浆(水泥砂浆或水泥粘土砂浆或水泥粉煤灰砂浆等)而形成墙体,分振动切槽(单模)和振动成模(双模)两种工法。此法适用于砂层、粉砂质粘土层、粘土质或含较小砾石的砂砾石层。

深层搅拌工法

它是用特制的单头或多头小直径搅拌机械,在向下搅动过程中,不断喷入水泥浆于土体,使土体最终形成水泥土墙体。依搅拌头不同,有单头、双头和三头搅拌方式。该法一般适于粘性土、砂层土、砂层。

注浆法

该方法多以钻孔为主要手段,然后注入浆体,通过浆液的渗透作用而使土体在一定范围形成适宜的墙体。一般有“粘土注浆、水泥注浆、化学注浆等。在具体使用时,应结合土层进行选择,特别是使用化学注浆时,还要注意环境污染。

高喷法

它是使用钻机成孔成槽,然后利用高压水切割土体并注入水泥浆,在冲切过程中不会使一定范围内的土体结构受到破坏,并与固化浆液强制混合,凝固后在土体中便形成具有一定性能和形状的固体墙体。它是半置换与固结防渗的结合体。按高喷方式不同有定喷、摆喷和旋喷。它不仅用于堤防防渗,也用于地基改良。

土固结工法

主要是利用固结剂直接与堤坝土砂混合形成三介质复合墙体,从而达到防渗的效果。该方法是随新兴的固化剂的出现而兴起的,属于化学的方法,不仅能提高土体固结强度,而且具有较好的稳定性和耐久性。

土工膜防渗墙

土工合成材料目前已广泛用于水利、建筑、交通等施工领域。我国近期也逐渐用于防渗工程中。它主要是在已经成槽的地层中,用土工膜送入器将土工膜以单帷幕式或双帷幕的形式送入槽内,之后在槽内填充与地层同性质的土(或以土还土、以砂还砂),或填充其他柔性的材料起到阻水作用。在堤坝施工中土工膜是一种柔性防渗墙,也用于水平防渗铺盖。总的来说,其工艺简单,工效高,成本低适于广泛推广。但要注意穴居动物特别是白蚁的破坏。

参考文献

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