深覆盖层堤坝地基渗流控制技术探究

蒯 斌

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

深覆盖层堤坝地基渗流控制技术探究

蒯 斌

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

在整合理论控制研究的基础上，结合工程技术实例，对深覆盖层堤坝地基渗流的破坏形式及产生机理进行了探讨总结，初步总结了不同土质条件及水力条件下的渗流控制技术，提出了坝基防渗要坚持多种防渗、排渗技术相结合的渗流控制原则，以期为工程实践提供理论及技术支持。

深覆盖层;防渗;排渗;控制技术

经调查统计，近几十年来，国内外由于坝基渗流造成渗流破坏，进而导致工程事故的案例约占事故总数的30～40%，成为影响水利工程安全运行的重要因素，而其中复杂坝基的渗流现象对工程的安全性、长久性运行更有着显著影响。作为一种典型的复杂坝基，深覆盖层堤坝地基的渗透稳定性在很大程度上影响着工程的安全可靠性，考虑到该项技术在我国的广泛使用，笔者通过理论总结［1-3］、工程实例分析［4-8］等方法，对深覆盖层堤坝地基的渗流破坏形式、渗流控制技术及其效果分析进行探究，以期为工程实际中的应用提供参考。

1 坝基渗流破坏形式

渗流是水在岩土、砂石等孔隙介质中的流动现象。在渗流的影响下，某些土体失去部分承载力及阻流能力从而发生渗透变形，当土体失去全部承载力及阻流能力时，产生渗透破坏。渗流现象无法完全避免，且随地质条件、水力条件等因素变化，其表现形式有所变化，为了能够更有针对性地将地基渗流控制在设计范围内，下面对常见的几种渗流破坏形式作出总结。

1.1 管涌

管涌分为机械管涌与化学管涌，其中最常见的是机械管涌，其是在渗流的作用下，细微颗粒在土体中粗颗粒形成的孔隙通道内流动，随着细微颗粒的流失，孔隙不断扩大，渗流量不断增加，进而带动粗颗粒流动并逐步形成土体内贯通的渗流通道，土体被破坏的现象。

当地质条件中缺少非粘性土壤颗粒或防渗工程效能低下时，极易发生管涌现象，当管涌发生时，随着上游水位的升高，持续时间越长，渗流带动流失的土体越多，会破坏堤坝地基的整体结构稳定性，造成堤坝塌陷、溃坝等事故。管涌现象的发生受当地地质条件及水力条件的共同影响，图1为管涌示意图。

图1 管涌示意图

1.2 流土

流土是指在渗流作用下，土体中表面隆起、部分土体的全部颗粒同时移动并流失的现象。无论是非黏性土质或者黏性土质，当水力坡降达到一定数值时，均会发生流土现象。非黏性土体中，流土变形表现为沙沸、土体翻滚最终被渗流托起;黏性土体中，流土变形表现为土体表面隆起、膨胀等现象。与管涌现象不同，流土常常在坝体下游地基的渗流出口无任何保护的部位，而不在地基土体内部，且流土的发展速度很快。产生流土现象的根本原因在于渗流逸出梯度较大，图2为流土示意图。

值得注意的是，对地基土体为单一土层而言，渗流破坏仅表现为管涌与流土。

图2 流土示意图

1.3 接触冲刷

渗流沿着两种不同介质（通常是不同土层）间的接触面流动，当细颗粒粒径小于接触面孔隙通道时，渗流将细颗粒沿接触层面带走的现象称为接触冲刷，这里的接触层面方向是任意的。

接触冲刷主要发生在坝体地下边线与地基土层的接触面或者双层地基的接触面上，图3为接触冲刷示意图。

图3 接触冲刷示意图

1.4 接触流土

接触流土是指当渗流垂直于两种渗透系数相差很大的相邻土层接触面时，将渗透系数较小的土层的细颗粒带入到渗透系数较大的另一土层的现象。工程实际中，一些不符合规格要求的反滤层接触面上的反滤层淤塞现象常常是由于接触流土造成的，图4为接触流土示意图。

图4 接触流土示意图

2 渗流控制技术

前面对坝基渗流问题的破坏机理、形式及体现作了全面总结，由分析可知，坝基渗流控制对发挥水工结构的工程效益及社会效益十分关键，为此，坝基渗流控制技术应该结合工程实际，对较可能发生渗流现象的各个环节进行有效控制。一方面从加强坝基抵抗渗流破坏的能力入手，一方面从降低渗透破坏入手，具体控制技术可分为防渗技术、排渗技术、压渗技术和反滤技术。

2.1 防渗技术

防渗技术采取的主要途径是延长渗径，降低渗流坡降及下游出逸坡降，从而减少渗漏量，保护水工建筑物的稳定，其具体形式包含水平防渗与垂直防渗2种。

水平防渗是在上游进行水平铺盖或护面的铺设用于提高防渗性能，常有混凝土护面和粘土铺盖等形式，常见的防渗体是混凝土、粘土、沥青等透水性很小的材料。工程实际中，当土基的相对均质性较好且渗透性不强时，较宜采用水平防渗技术，而对于砂砾或多层堤基，则效果不太明显。

垂直防渗作为坝基防渗的一种重要方法，其适用范围主要取决于坝基的地质结构。垂直防渗与坝体防渗体相连，可以作为封闭式结构，阻断渗流通道，降低渗流破坏发生的可能性。根据防渗深度及范围的不同，垂直防渗技术分为完全式（着底式）、不完全式（悬挂式）、箱式三种。其中完全式垂直防渗措施底部与不透水层连接，完全阻断砂砾层，防渗效果好;悬挂式垂直防渗技术则只适合采用承受水力梯度大的板桩及混凝土防渗墙等作为悬挂式帷幕，且在出口处布置好反滤层，并核算出口渗透的稳定性;箱式帷幕则适用于深厚砂砾地基中。

对于坝基渗流问题，各种垂直防渗设施都能可靠、有效地解决，是深覆盖层堤坝地基渗流的重要控制技术。

2.2 排渗技术

排渗是将透水性能强的材料（砂砾石料、土工织物等）布置在坝体内部与地基的一些渗流坡降大的部位作排水体，使渗透压力提前释放，并通过排水体流出，提高允许水力梯度，防止地基部分产生渗透变形，增强了建筑物的稳定性。排渗技术也可分为水平排渗与垂直排渗2种类型。

水平排渗的主要形式有褥垫排水（坝体内）、管式排水和出渗排水（下游坝趾），可以减少下游坡面的渗出流量。垂直排渗在降低下游坝坡浸润线的同时，减少渗流量，其主要形式有稍微倾斜的直立式排水（坝体内）、贴坡排水、减压沟（地基内）排水以及减压井排水等。需要特别指出的是，排渗措施需要与其它渗控措施（如防渗）配合使用，当堤坝后有盖重压渗时，在盖重的末端设置排渗沟。常见的堤坝渗流控制技术如图5所示。

图5 堤坝渗流控制示意图

2.3 压渗技术

压渗是通过设置盖重在坝体下游坡脚附近，以平衡部分水压，防止管涌及流土现象产生的技术。当不透水层较深且透水层较厚时，常采用背水侧压渗盖重处理或延伸盖重与防渗措施相结合的措施处理。由于盖重土层可以通过人工填筑及吹填来形成，操作简单易行，因此得到广泛应用。盖重压渗选取的填料最好是透水材料，若材料为粘性土，则对盖重长度及厚度的设计要特别注意。

2.4 反滤技术

反滤设施由沿渗流方向粒径逐渐增大的二至三层无粘性土料组成。在渗流逸出口或渗流从细颗粒土层流入粗颗粒土层的接触面上布置反滤措施，可以将渗水与地下结构层颗粒隔开，提高允许水力梯度，防止渗透变形的产生。

渗流进入反滤设施后，大部分或全部渗透压力消失，因此，反滤层的设计，可以保护渗流出口，防止部分土颗粒的流失，是防止渗透破坏发生的有效措施之一。反滤层的实施过程中，需要注意以下几点。

（1）细颗粒不应穿过大颗粒一层的孔隙。

（2）每一层内的颗粒不应移动。

（3）除特别小的颗粒，被保护的颗粒不能经反滤层带走。

（4）反滤层不能堵塞。

结合上述常见的地基渗流破坏形式及渗流控制技术，不难发现，渗流与地质条件、水力条件等因素有关，对深覆盖层堤坝地基的渗流控制研究应该从防渗材料、渗流控制技术配合及防渗成果检测等几个方面入手。

（1）研发新型价格低廉，抗渗性能较好的材料，提高各项防渗措施的防渗能力。

（2）针对不同地基情况，组合不同防渗、排渗措施，改善防渗系统的综合控渗能力。

（3）研发新的防渗成果检查手段，对深覆盖层堤坝地基渗流的控制效果进行合理判断。

3 结语

坝基渗流造成的渗流破坏主要体现在管涌、流土、接触冲刷以及接触流土。渗流问题不可避免，但通过有效的防渗、排渗措施搭配作用可以最大限度地控制渗流变形、渗流破坏的发生。研发较强抗渗性能的材料，配合更直观有效的防渗成果检测手段，可以为地基防渗工作提供更有力的帮助。

本文虽然对深覆盖层堤坝地基渗流的破坏形式及产生机理进行了探讨总结，初步总结了不同土质条件及水力条件下的渗流控制技术，提出了坝基防渗要坚持多种防渗、排渗技术相结合的渗流控制原则。但具体到工程实际中，则应视具体工程情况，先进行理论分析及实验分析，最后确定最合适的渗流控制方案，因此，需要做进一步深入模拟与研究，以期为工程实际提供理论及技术支持。

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［2］白勇，柴军瑞，曹境英．深厚覆盖层地基渗流场数值分析［J］．岩土力学，2008（29）:90-94．

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TV223.4

B

1008-1305（2015）06-0060-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2015.06.023

蒯 斌（1982年—），男，工程师。