土石坝基岩渗流冲蚀破坏机理初探

宋子龙

（1.湖南省水利水电科学研究所长沙市410007；2.湖南省大坝安全与病害防治工程技术研究中心长沙市410007）

土石坝基岩渗流冲蚀破坏机理初探

宋子龙1、2

（1.湖南省水利水电科学研究所长沙市410007；2.湖南省大坝安全与病害防治工程技术研究中心长沙市410007）

土石坝常坐落在透水基岩上，在长期复杂的自然环境条件影响和各种内外力作用下，可能产生渗漏破坏问题，尤其是土石坝基岩渗流冲蚀破坏。文章基于土石坝渗流基本理论，建立了土石坝基岩冲蚀破坏概化模型，并结合美国提堂大坝进行了验证，研究结果表明土石坝防渗体的基岩渗流冲蚀破坏是导致坐落在透水基岩上的土石坝溃坝的根本原因，透水岩基防渗处理是防治土石坝基岩渗流冲蚀破坏的关键。

土石坝基岩渗流冲蚀破坏机理

1 概述

根据第一次全国水利普查，我国共有水库98 002座（已建97 246座，在建756座），其中挡水建筑物为土石坝者约占93%。土石坝运行过程中在雨水侵蚀、库水浸泡、洪水冲刷、干旱及人类活动等因素作用下，时常发生流土、管涌等渗透破坏，极端情况下将导致漫顶、溃坝等灾害，严重影响流域内正常生产生活，甚至剥夺了无数人的生命[1～3]。如：2008年6月12日，湖南省岳阳县相思乡相思园水库发生垮塌事件，洪水瞬间将附近的学生和农民淹没，最后导致6人死亡、1人失踪的悲剧。

土石坝是由当地土料、石料或土石混合料填筑而成，具有就地取材、结构简单、地质条件要求低、施工技术简单、造价低廉等特点，是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。由于其填筑的土料以及坝基下伏砂砾是散粒体结构（颗粒间存在大量孔隙，具有一定的透水性），水库蓄水后，在水压力作用下，水流必然会沿着坝身土料、坝基土体和坝端两岸地基中的孔隙渗向下游，造成坝身、坝基和绕坝渗漏，容易形成坝体及坝下涵管渗漏、坝基土管涌流土、坝体滑坡等安全隐患，其排查和治理一直是研究者的关注重点。

目前对土石坝安全隐患的研究主要集中在坝体渗漏破坏，1856年法国工程师达西通过试验研究提出了线性渗透定律，为渗流理论的发展奠定了基础。周创兵、王媛、蒋中明等基于达西渗流定律，对土石坝坝体渗流破坏机理进行了深入研究，基本掌握了坝体渗流规律。陈建生、郭爱国、朱崇辉、刘杰等通过室内渗透模拟实验，揭示了土石坝坝体管涌发生发展机制。近年来，诸多研究者借助安全监测技术对坝体防渗体水力劈裂破坏进行了深入研究，如Vaughan提出了一种堤坝产生水力劈裂破坏的机理，认为有效小主应力必须在张拉区。Sheard J L分析了一些土石坝防渗体开裂的工程实例，认为不均匀沉陷裂缝在各类心墙土坝中是很常见的；大多事故都发生在初次蓄水期间，其中库水位的迅速升高是导致事故发生的重要因素；集中渗漏开始前，一般都没有明显的标志，坝顶或边坡事先都很少有可见裂缝的存在；心墙坝由于堆石体的拱效应而比均质坝更容易产生水力劈裂；坝体不均匀沉降导致坝体内有可能发生水力劈裂的初始裂缝产生。黄文熙给出水力劈裂的定义，认为水力劈裂是指由于水压力的抬高在岩体或土体中引起裂缝发生与扩展的一种物理现象。王俊杰、朱俊高、张辉等从发生条件、力学机理、试验研究及数值模拟等方面对心墙水力劈裂问题进行探讨研究，认为心墙的低渗透性、裂缝和迅速蓄水的初期是水力劈裂发生的条件[4～9]。

综上所述，国内外学者对水流在坝体内的渗流过程进行了系统研究，能在一定程度上实现坝体内及其防渗体渗流控制。但许多土石坝渗流失控发生在坝体与基岩的接触部位，目前基岩渗流冲蚀破坏机理尚不明确。

本文基于土石坝相关渗流理论，建立土石坝基岩冲蚀破坏概化模型，并结合美国提堂大坝进行验证。

2 土石坝基岩渗流冲蚀破坏概化模型

土石坝常坐落在透水基岩上，对于一定年限的土石坝而言，在长期复杂的自然环境条件影响和各种内外力的作用下，土石坝的状态随时都在改变；再加上人为因素的影响，如设计考虑不周、施工不能完全保证质量，可能产生渗漏破坏问题，尤其是土石坝基岩渗流冲蚀破坏。

土石坝运行后，渗流水通过坝体内防渗体及其齿槽渗入下游的透水基岩中，防渗体尚未被冲蚀，如图1所示；渗流水逐渐冲蚀防渗体与大坝基岩的接触部位并使其渗透坡降增大，当土石坝坝前水位不断上升，防渗体齿槽底与透水基岩的渗透坡降进一步增大，渗流水进一步冲蚀坝体内防渗体，不断将坝体防渗体与基岩接触部位的土体颗粒从防渗体下游透水基岩的裂隙通道带走，如图2所示；形成坝体内防渗体不断被渗流冲蚀→接触渗透坡降不断增加→土体颗粒沿下游裂隙通道被带走→……的恶性循环，进而使坝体内防渗体形成冲蚀空穴、塌坑，如图3所示；随着坝体内防渗体的破坏，坝体渗漏加剧，最终导致溃坝如图4所示，即为土石坝基岩渗流冲蚀破坏概化模型。

3 提堂大坝溃堤案例分析

3.1 工程概况

提堂（Teton）坝位于美国爱达荷州提堂河上，是该河流域开发中一个主要的多目标工程。水库总库容3.18亿m3。可以防洪发电并灌溉农田约4.67万hm2（70万亩）。

图1 渗流水通道形成

图2 渗流水冲蚀防渗体与基岩接触部位

图3 形成冲蚀空穴、塌坑

图4 大坝溃决

该工程由美国垦务局设计，最大坝高126 m，坝顶高程为1 626.26 m，坝顶长度包括溢洪道约950 m，坝的填筑量为765万m3。附属建筑物有：右岸3孔斜槽式溢洪道，最大泄量506 m3/s；右岸一条辅助泄水隧洞，最大泄量24.1 m3/s；左岸一条导流兼输水隧洞，最大泄量96.3 m3/s；左岸一座16 000 kW电站。大坝为分区中央心墙式土石坝，大坝上游坡比为1∶2.5～1∶3.0，下游坡比为1∶2.0～1∶3.0。防渗心墙采用土料为风积粉砂土，渗透系数约5×10-6cm/s。

坝址基岩除河床偏左坝段为玄武岩外，其余坝段均为流纹岩（一种熔结的火山灰流凝灰岩）。熔结凝灰岩不仅存在着水平叶理，而且节理发育，缓倾角节理与叶理平行，陡倾角节理多为张性节理。熔结凝灰岩的张性节理使右坝段坝基呈透水状，对此，设计单位经试验比选最终决定，分别在左右有关坝段采取截水齿槽和楗槽为主的基础防渗措施。玄武岩出现在河谷偏左底部1 530 m高程处，最大厚度约38 m。它和下伏的熔结凝灰岩之间被一层厚（1.2～7）m的粉砂、砂和砾石组成的冲积夹层所隔开。

水库在1975年10月3日封闭导流隧洞后开始蓄水。1976年6月3日，工程人员检查右岸坝头，发现有两处小渗水，位于坝趾下游400 m和460 m处。渗出的是清水，流量分别约为3.8 L/s和2.5 L/s。6月4日，在右岸坝趾下游（40～60）m处，发现清水渗出，流量约1.25 L/s。此后，到6月4日下午9:00，再未发现有其他的渗漏。6月5日7∶45，垦务局测量人员发现一处漏水，位于右岸坝肩的1 539 m高程坝轴线下游230 m、桩号5+28附近。6月5日9∶00～9∶10，施工工程师等人在1 586 m高程，发现渗水出逸，估计渗漏量大于60 L/s。6月5日10∶00～10∶30之间，在坝体1 586 m高程坝轴线下游85 m、桩号4+65、离右坝肩（4.5～6）m处出现一块湿斑。湿斑很快发展成有（0.3～0.45）m3/s的集中渗水，从坝面将5区（碎石块料保护层）内的细料冲走。6月5日11∶00许，出逸渗水形成冲沟。6月5日约11∶00稍后，上游水库内离坝上游面（4.5～6）m、靠近桩号4+19处（约离右岸水库边缘45 m），水面出现一个漩涡，漩涡直径迅速扩大。11∶40～11∶50之间，右岸冲淘扩大范围，同时在坝体下游面高程1 620 m、近桩号4+19处，出现一个坍陷洞。右岸冲沟迅速向上游发展。5 min后，即11∶55，坝顶陷落，11∶57，大坝决口。从第一次发现渗水到坝溃决，历时仅5 h。

3.2 失事原因分析

提堂坝失事后，国内外专家学者投入大量的人力物力财力对其进行了详细的调查、勘探、试验、模拟、分析，最终得出一致肯定的结论：虽然大坝在建设中对岩基进行了防渗处理（开挖截水齿槽、截水楗槽，并沿坝基齿槽和楗槽中心线进行了帷幕灌浆，对齿槽和楗槽内基岩张节理进行了固结灌浆），但忽视了坝基基岩张节理渗漏破坏的问题，既没有对大坝粉质土心墙嵌入基岩截水槽的上、下游岩石的裂隙进行有效的封堵，也没有沿心墙土体与基岩接触面对心墙采取有效的防冲蚀保护措施，从而导致了溃坝。

3.3 大坝失事模式分析

渗流水通过心墙及右岸键槽渗入防渗体下游的张节理发育的透水基岩中，防渗土体中的土粒尚未被冲蚀；渗流水逐渐冲蚀防渗土料并使渗透坡降增大。当水库水位达1 617 m时，键槽底与帷幕顶的渗透坡降达9，渗流水进一步冲蚀粉质土心墙中的土粒，并不断将冲蚀的粉粒、粘粒从防渗土体下游的张节理中带走，形成心墙土粒不断被渗流冲蚀→接触渗透坡降不断增加→土粒冲蚀加剧→……的恶性循环；进而使心墙发生冲蚀空穴、塌坑，最终导致溃坝，与土石坝基岩渗流冲蚀概化模型基本一致。

4 结论

本文通过理论分析，建立了土石坝基岩渗流冲蚀破坏概化模型，即基岩与防渗体的接触部位防渗处理不到位时，渗流水就必然通过岩基渗漏通道冲蚀防渗体，随着渗流失控冲蚀防渗体，最终导致溃坝，并通过美国提堂心墙坝失事案例分析，验证了基岩渗流冲蚀破坏概化模型。土石坝透水岩基防渗处理是防治土石坝基岩渗流冲蚀破坏的关键，仍需进一步研究。

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2016-10-16）

宋子龙（1972-），男，工程硕士，高级工程师，主要从事水工结构与大坝安全管理研究工作，手机：13508470172。