土坝主要渗透破坏控制措施研究

曹建宇

摘 要：该文基于笔者多年从事土坝防渗的相关研究，以土坝防渗措施及其特性为研究对象，论文首先分析了土坝常见渗透破坏的类型，进而唐涛了主要渗透破坏控制措施，最后探讨了防渗体的耐久性分析，全文是笔者工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：土坝 防渗措施 特性 耐久性

中图分类号：TV642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（c）-0104-02

水库蓄水后，要通过坝体、坝基和坝的两岸产生渗流，若渗流是在设计控制之下，坝任何部位的土体都不会发生渗透破坏，则为正常渗流；反之，能引起土体渗透破坏，或渗流量过大而影响蓄水兴利的渗流，则为异常渗流。在土坝运行中，允许正常渗流存在，而对异常渗流，则必须采取措施，以避免事故的发生。现有的防渗措施主要有水平防渗、垂直防渗和坝后排渗，均是从材料的渗透性和抗渗强度两方面来设计防渗体，但忽略了防渗体的耐久性（使用寿命），致使许多工程防渗处理后不久就出现了新的异常渗漏现象。造成防渗体耐久性差的原因主要是：防渗材料存在渗透性，渗流对防渗材料有溶蚀、携带、冲刷作用，致使材料性能逐渐降低，最后失去防渗性能，防渗体失效时间与材料的防渗性、耐久性有直接关系。

1 土坝常见渗透破坏类型

一般将渗流险情归为散浸、流土、管涌等。散浸反映了坝身填土质量的问题；流土是由于坝后地层为二元结构造成的；管涌泛指基础的渗透破坏。坝身的渗透破坏形式有：散浸、清浑水渗漏、接触冲刷和内脱坡等。其直接原因是坝身填土土质差（渗透性大）、结构疏松、没处理好历次加培土结合部和生物活动及扰动造成的隐患，坝身险情相对而言较容易处理。坝基的渗透破坏一般为管涌和流土，其表现形式多为翻砂冒水、泡泉、砂沸、土层隆起、浮动、膨胀、断裂等。渗透变形的发生一般与库水位的高低、地质条件、土体的渗流特性等因素密切相关，背水侧坝基的渗透出逸比降一旦超过坝基的抗渗临界比降就会产生渗透破坏，这在所有渗透险情中是最危险的。

2 主要渗透破坏控制措施

渗透破坏的处理主要是改变地基内的渗流场或土层分布，以达到降低渗透压力，提高抗渗能力，从而满足工程安全需要的目的。一般从两方面入手，1）提高坝身和坝基本身抵抗渗透破坏的能力，如采取提高坝身密实度、消除坝身坝基隐患、放缓边坡、贴坡排水、透水戗台或盖重等措施；2）降低渗流的破坏能力，即降低渗流出口比降和坝身的浸润线。一般采用“前堵中压后排”渗流控制原则，并根据工程地质条件、 出险情况和坝的重要程度选择合理科学的渗流控制措施。（图1）

2.1 水平铺盖防渗

用于相对不透水层埋藏较深、透水层较厚且迎水侧有较宽阔河床的坝基，迎水侧设置铺盖的长度应通过计算确定，所用的材料有粘土、复合土工膜、编织涂膜土工布等。其作用机理是通过足够的水平铺盖长度，减小上游入渗和延长水平渗透路径，降低水力坡降，减缓渗透破坏的发生。该方法对垂直方向的渗流影响甚微，只能作为坝身防渗处理的方法，单独使用一般很难达到防渗的目的。

2.2 垂直防渗

垂直防渗特别适用于浅层透水地基， 可以形成封闭防渗体系，也可用于地层下不深处有一层相对隔水层（其下仍为较厚的透水土层），可以形成半封闭式防渗体系。

采用垂直防渗方案时，常把坝基和坝身的防渗体系统一施工。对于无相对隔水层的悬挂式防渗体，防渗效果往往不明显，因此不宜单独采用。垂直防渗技术按其作用机理，分为置换、填充、挤密、固结和化学作用等；按成墙原理可分为置换、灌注两大类；按墙体材料又可分为刚性材料和柔性材料。

目前国内外采用较多的建造垂直防渗体方法简述如下。

（1）射水法。该方法是利用高压水作为成槽器具，通过布置于成槽器上的一组喷嘴，以高压高速水流使得地层冲蚀、剥落从而成槽，同时使成槽器上下冲击以修整槽壁，在施工形成的槽段内，浇注混凝土，形成一系列的混凝土槽段，先施工一段槽，再施工第二段槽，两段槽连结成一个完整的防渗墙。（2）锯槽法。该方法是用一种类似于锯条的“刀杆”对地层模仿拉锯的动作进行切削，将切削的土屑排出地面，从而形成槽孔。该技术可用于建造刚性/柔性防渗墙，也可用于铺设土工膜。适用于黏土、粉质黏土以及夹砾石砂层。（3）抓斗法。该工法利用改进的液压抓斗进行薄壁墙成槽施工，可适用于任何地层，施工深度较大。成槽宽度30 cm，墙体深度可达35 m。可采用分序施工成墙技术，成槽后可建造刚性/柔性墙，所成墙体的结合性较好，施工效率高。（4）链锯法。该工法的原理是利用链条传递动力，在链条的铰链处设计能切削土体的刀片，与锯槽法的区别在于弃渣方式，链锯法是利用挖土器具将土体排出地面，无需循环泥浆，具有减少场地地面污染的优点。（5）深层搅拌法。该方法是利用特制的多头小直径深层搅拌桩机把水泥浆喷入土体并搅拌成水泥土，水泥土固化后形成水泥土墙，从而达到截渗目的。（6）板桩灌注法。板桩灌注墙为挤密填充型防渗墙，墙体材料可以是柔性水泥砂浆或水泥粉煤灰砂浆等。（7）TRD工法。该工法为日本研制，原理类似于锯槽法，先将旋转的齿盘插入地层中，利用齿盘上齿刀进行纵向移动，沿着横向方向切削地层，切削后土体随切削刀具的运转上下翻腾，与注入的水泥浆搅拌均匀，形成水泥土地下连续墙。（8）高压喷射灌浆法。该方法利用高压喷射的水、气或浆液介质冲刷切割土体，同时流体使得浆液与土体颗粒掺搅形成防渗墙体。（9）土砂固结法。该方法直接利用固结剂与坝体土砂混合形成复合墙体，从而达到防渗的目的。该技术是随着不同性能固结剂的出现而新兴的防渗堵漏技术，适用于低水头坝基础处理，受制于地层和固结剂的渗透特性。（10）劈裂灌浆法。该方法是用一定的灌浆压力，将坝体沿坝轴线方向劈裂，再灌注合适的泥浆，形成铅直连续的防渗墙。（11）板桩墙法。板桩材质可以选用木材、钢或者钢筋混凝土。原理是将板桩按一定顺序打入土中，使各个板桩之间互相连锁，最终形成一个严密的连续板桩墙防渗体系。（12）振动沉模防渗板墙法。该法利用强力振动原理将空腹模板沉入土中，向空腹内注满浆液，边振动边拔模，浆液留于槽孔中形成单块板墙，单板连接即可成连续防渗板墙帷幕。解决了国外同样原理技术尚未解决的槽孔间夹泥和下部开叉的弊端。该法适用于砂土、砂性土、黏性土、淤泥质土及砂砾石地层。该方法技术先进，质量可靠，工效高，造价低，工艺简单，设备性能稳定。endprint

2.3 背水坡压重

盖重是在背水坡进行压重从而抑制坝基渗透变形的有效措施，对覆盖层较薄，而坝基渗透压力较大的坝段效果明显。结合坝内平台采用，使坝后近坝脚处可能由于坝体和坝基土质不良而发生渗透破坏的程度减小。当相对不透水层埋藏较深，透水层较厚，临水侧又无稳定滩地时亦常采用压渗盖重处理、延伸盖重或者防渗综合处理。该方法简单易行，而且在背水侧亦可同时为交通及防汛抢险提供工作平台。压填料最好选用透水材料。广泛使用的吹填法和自流放淤法，都十分成功。这种方法不仅工效高、造价低，而且充分利用了水砂资源，变害为利。

2.4 背水坡的导渗和排渗

背水坡的导渗和排渗措施主要有贴坡排水，水平褥垫排水，后戗台排水以及减压井（沟）等型式。排水常与其他渗控措施（如压渗、防渗等）配合使用。当坝后有盖重压渗时，排渗沟应设在盖重的末端。导渗多用明沟和伸入坝内的暗沟等方式。它可用于覆盖土层较薄（小于3 m）的情况。

3 防渗体的耐久性分析

随着新技术、新工艺、新设备的发展，防渗措施层出不穷，为土坝防渗加固设计方案提供了较大的选择空间。但由于在设计中主要考虑防渗措施的抗渗透力和渗透性，而忽略了其使用寿命，致使许多工程防渗加固完成后，效果非常明显，但工程运行一段时期后，渗漏问题又重新出现，甚至造成较严重的安全隐患。

如水平铺盖的材料一般为黏土和土工织物，适应地形变形的能力差，容易出现裂缝或土工织物撕裂，又形成新的集中渗漏，特别是加固前后渗漏状态发生了改变，坝前由整体面漏变为集中点渗漏，渗水向下游逐渐散开，不容易被发现，一旦出现塌坑，给予抢险的时间较短，容易出现溃坝隐患。坝后排水和排渗是处理坝的异常渗漏的有效方法之一，但由于反滤层容易被淤堵，开始效果较好，运行一段时间后就容易失效。由于防渗体的耐久性差，上述两种方法已经成为坝体防渗的辅助措施。垂直防渗因其防渗性能好，施工设备和施工工艺先进，现为土坝防渗加固的主流方案，但墙体接缝质量和墙体倾斜控制是防渗措施成败的关键，一旦施工质量没有保证，较容易出现坝基的集中渗漏，造成坝体破坏，大大降低防渗体的使用寿命。

在垂直防渗措施中，防渗体分叉造成集中渗漏是防渗体耐久性差的主要体现，以壤土心墙砂壳坝为例进行分析，该坝上下游水头差14.0 m。由于坝基清基不彻底，坝基渗漏严重，渗透坡降值为0.43，单宽渗漏量1.38×10-3 m3/s，渗漏坝段按100 m计算，坝基总渗漏量0.138 m3/s。由于该坝渗漏严重，采取塑性混凝土防渗墙进行防渗处理，经计算，加固后的坝基渗漏量几乎为零，防渗效果显著。施工完成后，经检测，防渗墙存在分叉现象。由于防渗墙的分叉，造成墙体局部不连续，其分叉部位的渗透坡降由加固前的0.43增大到加固后的1.57，使加固后的渗透坡降明显大于坝基砂的临界坡降，产生局部渗透破坏，且局部渗流量由0.28×10-3 m3/s·m2增大到1.1×10-3 m3/s·m2，但是坝基总渗漏量由0.138 m3/s减小到0.0011 m3/s。虽从外观看，防渗效果比较明显，但由于局部的缺陷，防渗体逐渐破坏，致使防渗体的耐久性大打折扣。

通过实践证明，以上各种防渗措施方案从技术上是切实可行的，但由于种种原因，运行几年后又出现了新的渗漏问题， 主要原因是在方案的选取上缺少耐久性的评价。因此，为避免类似情况的发生，建议在选择防渗体设计方案时，不但要考虑防渗体的承载能力，还要考虑防渗体是否具备足够的耐久性。另外为提高防渗体的防渗效果，在防渗体施工时，要加强施工检测和隐患探测，消除防渗体缺陷，提高其使用寿命。

参考文献

[1] 高勤生.混凝土防渗墙在石头河水库右坝肩防渗加固中的应用[J].防渗技术，2002（3）.

[2] 朱爱莉，郭久贤.横山水库大坝防渗加固设计[J].水利建设与管理，2003（2）.

[3] 谭兴艺.混凝土防渗墙施工技术在水库除险加固中的应用[J].技术与市场，2010（9）.

[4] 林运魁.混凝土防渗墙技术在徐闻县中小型水库除险加固中的应用[J].科学之友，2011（12）.

[5] 卢树义.寒山水库土坝高压喷射灌浆施工质量控制[J].企业科技与发展，2011（14）.endprint

2.3 背水坡压重

盖重是在背水坡进行压重从而抑制坝基渗透变形的有效措施，对覆盖层较薄，而坝基渗透压力较大的坝段效果明显。结合坝内平台采用，使坝后近坝脚处可能由于坝体和坝基土质不良而发生渗透破坏的程度减小。当相对不透水层埋藏较深，透水层较厚，临水侧又无稳定滩地时亦常采用压渗盖重处理、延伸盖重或者防渗综合处理。该方法简单易行，而且在背水侧亦可同时为交通及防汛抢险提供工作平台。压填料最好选用透水材料。广泛使用的吹填法和自流放淤法，都十分成功。这种方法不仅工效高、造价低，而且充分利用了水砂资源，变害为利。

2.4 背水坡的导渗和排渗

背水坡的导渗和排渗措施主要有贴坡排水，水平褥垫排水，后戗台排水以及减压井（沟）等型式。排水常与其他渗控措施（如压渗、防渗等）配合使用。当坝后有盖重压渗时，排渗沟应设在盖重的末端。导渗多用明沟和伸入坝内的暗沟等方式。它可用于覆盖土层较薄（小于3 m）的情况。

3 防渗体的耐久性分析

随着新技术、新工艺、新设备的发展，防渗措施层出不穷，为土坝防渗加固设计方案提供了较大的选择空间。但由于在设计中主要考虑防渗措施的抗渗透力和渗透性，而忽略了其使用寿命，致使许多工程防渗加固完成后，效果非常明显，但工程运行一段时期后，渗漏问题又重新出现，甚至造成较严重的安全隐患。

如水平铺盖的材料一般为黏土和土工织物，适应地形变形的能力差，容易出现裂缝或土工织物撕裂，又形成新的集中渗漏，特别是加固前后渗漏状态发生了改变，坝前由整体面漏变为集中点渗漏，渗水向下游逐渐散开，不容易被发现，一旦出现塌坑，给予抢险的时间较短，容易出现溃坝隐患。坝后排水和排渗是处理坝的异常渗漏的有效方法之一，但由于反滤层容易被淤堵，开始效果较好，运行一段时间后就容易失效。由于防渗体的耐久性差，上述两种方法已经成为坝体防渗的辅助措施。垂直防渗因其防渗性能好，施工设备和施工工艺先进，现为土坝防渗加固的主流方案，但墙体接缝质量和墙体倾斜控制是防渗措施成败的关键，一旦施工质量没有保证，较容易出现坝基的集中渗漏，造成坝体破坏，大大降低防渗体的使用寿命。

在垂直防渗措施中，防渗体分叉造成集中渗漏是防渗体耐久性差的主要体现，以壤土心墙砂壳坝为例进行分析，该坝上下游水头差14.0 m。由于坝基清基不彻底，坝基渗漏严重，渗透坡降值为0.43，单宽渗漏量1.38×10-3 m3/s，渗漏坝段按100 m计算，坝基总渗漏量0.138 m3/s。由于该坝渗漏严重，采取塑性混凝土防渗墙进行防渗处理，经计算，加固后的坝基渗漏量几乎为零，防渗效果显著。施工完成后，经检测，防渗墙存在分叉现象。由于防渗墙的分叉，造成墙体局部不连续，其分叉部位的渗透坡降由加固前的0.43增大到加固后的1.57，使加固后的渗透坡降明显大于坝基砂的临界坡降，产生局部渗透破坏，且局部渗流量由0.28×10-3 m3/s·m2增大到1.1×10-3 m3/s·m2，但是坝基总渗漏量由0.138 m3/s减小到0.0011 m3/s。虽从外观看，防渗效果比较明显，但由于局部的缺陷，防渗体逐渐破坏，致使防渗体的耐久性大打折扣。

通过实践证明，以上各种防渗措施方案从技术上是切实可行的，但由于种种原因，运行几年后又出现了新的渗漏问题， 主要原因是在方案的选取上缺少耐久性的评价。因此，为避免类似情况的发生，建议在选择防渗体设计方案时，不但要考虑防渗体的承载能力，还要考虑防渗体是否具备足够的耐久性。另外为提高防渗体的防渗效果，在防渗体施工时，要加强施工检测和隐患探测，消除防渗体缺陷，提高其使用寿命。

参考文献

[1] 高勤生.混凝土防渗墙在石头河水库右坝肩防渗加固中的应用[J].防渗技术，2002（3）.

[2] 朱爱莉，郭久贤.横山水库大坝防渗加固设计[J].水利建设与管理，2003（2）.

[3] 谭兴艺.混凝土防渗墙施工技术在水库除险加固中的应用[J].技术与市场，2010（9）.

[4] 林运魁.混凝土防渗墙技术在徐闻县中小型水库除险加固中的应用[J].科学之友，2011（12）.

[5] 卢树义.寒山水库土坝高压喷射灌浆施工质量控制[J].企业科技与发展，2011（14）.endprint

2.3 背水坡压重

盖重是在背水坡进行压重从而抑制坝基渗透变形的有效措施，对覆盖层较薄，而坝基渗透压力较大的坝段效果明显。结合坝内平台采用，使坝后近坝脚处可能由于坝体和坝基土质不良而发生渗透破坏的程度减小。当相对不透水层埋藏较深，透水层较厚，临水侧又无稳定滩地时亦常采用压渗盖重处理、延伸盖重或者防渗综合处理。该方法简单易行，而且在背水侧亦可同时为交通及防汛抢险提供工作平台。压填料最好选用透水材料。广泛使用的吹填法和自流放淤法，都十分成功。这种方法不仅工效高、造价低，而且充分利用了水砂资源，变害为利。

2.4 背水坡的导渗和排渗

背水坡的导渗和排渗措施主要有贴坡排水，水平褥垫排水，后戗台排水以及减压井（沟）等型式。排水常与其他渗控措施（如压渗、防渗等）配合使用。当坝后有盖重压渗时，排渗沟应设在盖重的末端。导渗多用明沟和伸入坝内的暗沟等方式。它可用于覆盖土层较薄（小于3 m）的情况。

3 防渗体的耐久性分析

随着新技术、新工艺、新设备的发展，防渗措施层出不穷，为土坝防渗加固设计方案提供了较大的选择空间。但由于在设计中主要考虑防渗措施的抗渗透力和渗透性，而忽略了其使用寿命，致使许多工程防渗加固完成后，效果非常明显，但工程运行一段时期后，渗漏问题又重新出现，甚至造成较严重的安全隐患。

如水平铺盖的材料一般为黏土和土工织物，适应地形变形的能力差，容易出现裂缝或土工织物撕裂，又形成新的集中渗漏，特别是加固前后渗漏状态发生了改变，坝前由整体面漏变为集中点渗漏，渗水向下游逐渐散开，不容易被发现，一旦出现塌坑，给予抢险的时间较短，容易出现溃坝隐患。坝后排水和排渗是处理坝的异常渗漏的有效方法之一，但由于反滤层容易被淤堵，开始效果较好，运行一段时间后就容易失效。由于防渗体的耐久性差，上述两种方法已经成为坝体防渗的辅助措施。垂直防渗因其防渗性能好，施工设备和施工工艺先进，现为土坝防渗加固的主流方案，但墙体接缝质量和墙体倾斜控制是防渗措施成败的关键，一旦施工质量没有保证，较容易出现坝基的集中渗漏，造成坝体破坏，大大降低防渗体的使用寿命。

在垂直防渗措施中，防渗体分叉造成集中渗漏是防渗体耐久性差的主要体现，以壤土心墙砂壳坝为例进行分析，该坝上下游水头差14.0 m。由于坝基清基不彻底，坝基渗漏严重，渗透坡降值为0.43，单宽渗漏量1.38×10-3 m3/s，渗漏坝段按100 m计算，坝基总渗漏量0.138 m3/s。由于该坝渗漏严重，采取塑性混凝土防渗墙进行防渗处理，经计算，加固后的坝基渗漏量几乎为零，防渗效果显著。施工完成后，经检测，防渗墙存在分叉现象。由于防渗墙的分叉，造成墙体局部不连续，其分叉部位的渗透坡降由加固前的0.43增大到加固后的1.57，使加固后的渗透坡降明显大于坝基砂的临界坡降，产生局部渗透破坏，且局部渗流量由0.28×10-3 m3/s·m2增大到1.1×10-3 m3/s·m2，但是坝基总渗漏量由0.138 m3/s减小到0.0011 m3/s。虽从外观看，防渗效果比较明显，但由于局部的缺陷，防渗体逐渐破坏，致使防渗体的耐久性大打折扣。

通过实践证明，以上各种防渗措施方案从技术上是切实可行的，但由于种种原因，运行几年后又出现了新的渗漏问题， 主要原因是在方案的选取上缺少耐久性的评价。因此，为避免类似情况的发生，建议在选择防渗体设计方案时，不但要考虑防渗体的承载能力，还要考虑防渗体是否具备足够的耐久性。另外为提高防渗体的防渗效果，在防渗体施工时，要加强施工检测和隐患探测，消除防渗体缺陷，提高其使用寿命。

参考文献

[1] 高勤生.混凝土防渗墙在石头河水库右坝肩防渗加固中的应用[J].防渗技术，2002（3）.

[2] 朱爱莉，郭久贤.横山水库大坝防渗加固设计[J].水利建设与管理，2003（2）.

[3] 谭兴艺.混凝土防渗墙施工技术在水库除险加固中的应用[J].技术与市场，2010（9）.

[4] 林运魁.混凝土防渗墙技术在徐闻县中小型水库除险加固中的应用[J].科学之友，2011（12）.

[5] 卢树义.寒山水库土坝高压喷射灌浆施工质量控制[J].企业科技与发展，2011（14）.endprint