渗透变形对堤防(坝)稳定的影响及控制措施

吕锦伟

(安徽省水利水电勘测设计院，安徽蚌埠 233000)

0 引言

安徽省是个水利大省，长江、淮河各横贯400 km。特殊的地理位置、复杂的气候条件决定了本省水旱灾害频频发生。为了有效地抵御洪水，本省在沿江、沿淮各干、支流和各中、小河流及各行、蓄洪区洼地修建了大量的堤防，且很多中、小型水库大坝本身就是一段堤坝。因此，堤坝的安全直接关系到人民生命财产的安全及社会的和谐稳定。

堤防(坝)的破坏失事一般分为三种情况:一是软土地基的沉降(陷);二是边坡失稳而导致堤防(坝)产生滑坡或滑动;三是渗流破坏而导致堤防(坝)的失稳[1]。本文仅对第三种情况进行探讨。

1 土的渗透变形

堤防(坝)渗流破坏的根本原因在于土的渗透变形，在工程实践中，由于土体颗粒级配和土体结构的不同，土的渗透变形可分为流土、管涌、接触冲刷、接触流失四种形式[2]。

流土[3]流土是指在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动而流失的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流逸出处。

管涌 管涌是指在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带走的现象。它主要发生在砂砾石地基或者粗细颗粒混杂不均的地基中。

接触冲刷 当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，沿接触面带走细颗粒称接触冲刷。

接触流失 在层次分明、渗透系数相差悬殊的两土层中，当渗流垂直于层面将渗透系数小的一层中的细颗粒带到渗透系数大的一层中的现象称为接触流失。

前两种类型主要出现在单一土层中，后两种类型多出现在多层结构土层中。除分散性粘性土外，粘性土的渗透变形形式主要是流土。

应当指出的是，渗流可能会引起上述四种形式的破坏，但就土本身的性质来说，却只有管涌和非管涌之分。对于某些土来说，即使在很大的水力梯度下也不会出现管涌，而对另一些土(如缺乏中间粒径的砂砾料)却在不大的水力梯度下就可以发生管涌。因此，通常把土分为管涌土和非管涌土两种类型。管涌土的渗透变形形式属管涌型;非管涌土的渗透变形形式属流土型。

2 堤防(坝)渗流破坏的几种形式

具体到堤防(坝)的破坏来说，笔者根据多年的工作经验，总结出大致有以下几种破坏形式:

(1)沿坝体或地基局部阻力较小的部位产生集中冲刷，土粒不断随渗透水流流失，最后形成连通管道或上部坝体的下沉、裂缝，造成堤防(坝)破坏。如砂层地基的承压水，顶穿下游表层弱透水粉质壤土或淤泥土土层的薄弱部位形成集中渗流，发生流土泉涌现象并继而向地基的上游发展成为连通管道(图1-a)。易被渗流集中冲刷的薄弱部位，常常出现在坝体中未压实的土层、坝基中的强透水夹层、坝体与内埋管道的接触面以及坝体与基岩和边墩的接触面等处。

(2)在堤坝本身或地基的渗流出口处发生管涌，土中的细颗粒不断被渗流携出带走，直至坡面破坏或形成内部连通管道(图1-b)。

(3)背水坡脚大面积发生小泉涌及砂(土)沸现象，使坡脚软化或受渗流作用而浮起，坝脚因失去支承力而引起大滑坡。或者渗流在下游坝坡的出逸，使局部坡面被软化而产生局部滑动(图1-c)。

(4)临水坡在坝(库)水位骤降时，内部孔隙水压力不能马上消散而发生大滑坡(图1-d)。

上述(2)-(4)的破坏形式，属于渗透力引起的流土或管涌变形问题，可以由渗透力学原理加以计算。而第(1)种，堤防(坝)的破坏主要取决于局部地质条件的变化，不能由计算确定，而是勘探、设计及施工中要注意的问题。

图1 堤坝渗流破坏的形式Fig.1 The forms of seepage destroyed the dam

3 堤防(坝)渗流破坏的防治

土的渗透变形破坏是堤防(坝)破坏的主要原因之一。防治堤防(坝)破坏的基本思路是四个字:上堵下排。其基本措施包括:采用不透水材料或者完全阻断土中的渗流路径，或者增加渗透路径，减少水力坡降;也可在渗流出逸处布置减压、压重或反滤层防止流土和管涌的发生。其常用措施有以下几种:

3.1 垂直防渗

垂直防渗可用粘土、混凝土、塑性混凝土、土工膜等材料。它既可以作为坝体和堤身的防渗体，也可以作为透水地基的防渗体。最常用的是混凝土和塑性混凝土连续墙。如笔者亲历的滁州市城西水库除险加固工程(2010年通过竣工验收)，因坝下游测压管水位一直偏高，严重威胁着大坝的安全，初次采取的加固措施是坝身高喷灌浆和坝基劈裂灌浆，但是，初次加固后，坝基扬压力仍然偏高，后经地质勘察查明了坝基扬压力偏高的根本原因在于坝基下存在着一层强透水的砂砾石层及细砂层(如照片1)。查清原因后，改用混凝土防渗墙截渗措施，防渗效果良好，目前下游测压管水位已恢复正常，确保了大坝的安全使用及滁州市人民生命财产的安全[4]。还有小浪底土石坝的地基防渗和三峡二期围堰的堰体和地基防渗都使用塑性混凝土垂直防渗墙，达到了理想的防渗效果。

照片1 滁州市城西水库坝基砂砾石及细砂Photos 1 Photos of sand gravel and fine sand situated at the dam base of Chengxi Reservoir in Xuzhou City

根据实际需要，垂直防渗墙可完全隔断地基的透水层，彻底解决地基土的渗透变形问题，也可不完全隔断透水层，做成悬挂式的，起延长渗径、降低下游逸出坡降的作用。

3.2 水平铺盖

上游做水平防渗铺盖主要目的是延长渗流途径、降低下游逸出坡降。水平铺盖防渗层一般使用粘土铺盖，要求土料的渗透系数k＜10－5cm/s，铺盖厚度0.5～1.0 m，容许垂直水力坡降为4～6。也可用土工膜作水平防渗铺盖。

3.3 下游压重

下游铺设压渗盖重可以有效防止土粒被渗透力所悬浮，压重一般采用透水堆石。

3.4 排水减压井

对于双层地基，即上层相对不透水，下层透水。为防止堤坝坡脚处上层土下部受较大的向上水力坡降而发生流土，可用透水材料作成减压井，通过反滤层使下层中水安全排出，降低土的水力坡降。

3.5 下游排水体

为避免堤坝的背水坡渗流出逸处发生渗透变形，可采用棱柱式排水、褥垫式排水或贴坡式排水，可使渗出点降低，避免沿坡渗流引起的冲刷。例如本省的花凉亭水库大坝即是采用的粘土心墙加下游棱柱式排水，以降低渗透水力比降的。

3.6 土层综合加固处理

如土层冻结法、高喷灌浆法等。具体处理方法的使用可参阅有关地基处理的书籍。

4 结语

在实际工作中，若堤(防)坝出现险情，应首先依据土质类型大体判断渗透变形的类型，然后科学抢险，总的原则是先治标，再治本，标本兼治。

[1] 钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算[M].北京:中国水利水电出版社，2003.

[2] 工程地质手册编委会.工程地质手册[M].第四版.北京:中国建筑工业出版社，2007.

[3] 卢廷浩.土力学[M].南京:河海大学出版社，2002.

[4] 吕锦伟.滁州市城西水库除险加固补充工程地质勘察报告[R].合肥:安徽省水利水电勘测设计院，2009.