分散性土均质土坝渗透破坏及溃坝原因分析

罗 雪

（大庆市松嫩工程管理处，黑龙江 大庆 163000）

分散性土均质土坝渗透破坏及溃坝原因分析

罗 雪

（大庆市松嫩工程管理处，黑龙江 大庆 163000）

对分散性土均质土坝渗透破坏性现状及溃坝原因进行研究，通过分析土坝的自身属性、溃坝原因，提出坝体防护的解决方案。

分散性土；均质土坝；渗透破坏；溃坝

分散性土包括有机质土、黏土等多种土质，过于纯净的水体会对土质中的黏性结构进行解体。在水库水体中金属负离子含量逐渐增多的前提下，黏土颗粒会缓慢的分散，直至全部解构。这种土质的抗冲蚀能力较低，在较小的冲击作用下就会产生堤坝管涌、坝基崩溃的现象。因此如何在不利的土质条件下，对分散性土进行防护与渗流控制，成为土坝防护研究关注的重点。

1 分散性土与土坝工程概况

1.1 分散性土

我国在分散性土研究方面，经历了多个发展阶段。自20世纪80年代，分散性土均质土坝的溃坝情况就时有发生，但在分散性土坝的坝体防护方面，科研进展却非常缓慢。黑龙江嫩江流域的引水灌溉工程，就由于分散性土质的存在，在雨水冲刷下发生溃坝现象。但海南岭落水库溃堤原因分析中，专家并没有意识到溃坝与分散性土质有关联，也没有对大堤进行分散性黏土结构修复。近几年，坝坡由于雨水冲击而产生数道水沟，原有的土料修复处又发生决口问题，部分雨水经由坝顶裂缝流入坝体，最终造成坝体的全面崩溃。而在坝体土质的调查取样分析后，表明该水坝属于分散性土质水坝，坝面的修复与加固应按照分散性土质准则进行处理。

可以看出，我国在分散性土研究方面，有一段漫长的认知过程。分散性土在纯净水体中有着明显的渗透特性，水坝溃坝也要具有一定的限制条件。

根据当前的研究发现，分散性土均质土坝溃坝有以下几方面原因：首先分散性土质对纯净水体的渗透性较强；坝顶会在自然介质作用下产生裂缝，雨水顺裂缝流入坝体，将造成坝坡损坏的情况；坝坡施工过程中没有铺设反滤隔离体，这使得渗透水流带走了坝体的土质成分；水库中存在着较为纯净的雨水水体，纯净水质在分散性土质中的渗透性更强。因此，多方面原因导致了分散性土均质土坝渗透破坏，以及溃坝情况的发生。

1.2 工程实例

以黑龙江嫩江县东南部的青年水库为研究对象，青年水库属于科洛河左岸支流流域，为支流筑坝截流而产生。青年水库集雨总面积高达8.7km2，水库库容量171万m3。整个坝体长259m，坝顶高8.7m，坝坡比为迎水1∶3。溢洪道为有闸开敞式，堰顶宽17m，最大溢流深2.08m，流量23.1m3/s。该坝体为分散性土均质土坝，坝体内主要的填料为沉积土。1993年黑龙江嫩江流域遭遇洪水冲击，青年水库在暴雨中水位逐渐增高至46.5m，雨水顺坝顶上部裂缝流入坝体，导致了溃坝。洪水退去后，对大坝中溃口处进行了加固式修复。施工对均质土坝的坝坡处使用中粗砂填筑，并垒砌石块进行加固，在坝坡表面灌注砂浆，砂浆上铺设厚度较厚的抗渗混凝土板，直至铺设高度达46.5m以上。对于坝体中存在的水流冲沟，水坝下游使用草皮护坡，主干河道流域坝坡仍旧使用抗渗混凝土板，但抗渗混凝土板厚度要控制在6cm。

分散性土质在纯净水体中，会对土质中的黏性结构进行解体。有机质土、黏土等渗透性强的土质原来为团状的聚集结构，在纯净水体中会分散成较小的颗粒状结构，黏性也会大大降低。这种土质不能抵御强烈的水流冲刷。从多次暴雨时期的调查记录中，可以看出青年水库下游坝坡的破坏情况：水库下游坝坡中的水沟非常多，均为雨水冲刷后留下的痕迹。其中水沟孔最大达10cm以上，最深达1m以上。水沟孔周围由于缺乏养分，并没有植物附着在上面，有很多渗水从孔洞中流出，这些水流颜色为浑浊的灰白色，表明冲蚀形成了坝坡中的水沟孔；下游坝坡中间铺设的厚度较厚的抗渗混凝土板，也在暴雨中产生塌陷、泡发状况，而在抗渗混凝土板下部，发现了雨水冲蚀形成的水沟孔；大雨过后坝坡面上的土层开始变干变硬，分散性土质的裂缝现象开始发生；水坝底部排水沟的土质解体现象也非常严重，整体水质呈现灰白色。

2 土坝原料的分散性鉴定

在土坝原料的分散性鉴定，需要通过土坝成分的室内实验，来判定其存在的物理与化学特性。在土坝成分的取样方面，沿土坝建设方向每隔100m进行钻孔取样，钻孔深度要具有差异化。本次主要对6组土坝原料进行取样实验，包括低液限粉质黏土3组、低液限黏土3组。其中实验Experiment3土壤的颗粒组成在0.005mm以下，或者大于0.05mm，属于大小颗粒不均的黏土。Experiment5土壤的颗粒为大于0.05mm，其他土壤颗粒组成在0.005～0.05mm之间。

本实验的方法包括针孔冲蚀法、双比重计法、孔隙水易溶盐法等。针孔冲蚀法主要对土质的工程承受度进行测试，其中最重要的测试项目为分散性土质在纯净水体中的渗流情况，以及土坝原料在水流冲击下的强度。因此针孔冲蚀法为分散性土均质土坝渗透破坏性研究的主要方法，其鉴定结果的精确度高。

2.1 针孔冲蚀法实验

从6组土坝原料中选择4组进行实验，实验结果发现：在水力坡降达到2的情况下，针孔扩大2倍以上，因此该土质为分散性土，针孔冲蚀实验如表1。

表1 针孔冲蚀法实验结果

2.2 双比重计与孔隙水易溶盐实验

双比重计法实验结果表格如表2。

表2 双比重计法实验结果

双比重计法中各组土坝原料的分散度均在50%以上，孔隙水易溶盐实验结果表明：选择的4组土坝原料的纳百分比PS＞60%，因此判定土坝原料为分散性土。

3 分散性土均质土坝溃坝原因

3.1 坝顶渗流对坝体的破坏

从以上数据可以看出，分散性土均质土坝的溃坝，主要原因为水流渗透。在坝体溃坝后，从溃口剖面展开坝体土料的物理性质分析。其中土层的填土干密度、孔隙率、渗透系数等，都控制在要求的工程指标内。因此可以确定，水库坝体溃坝不是由建筑工程的质量问题造成的。从现场调查中发现：在暴雨情况下，水库溃口坝顶存在渗流，从坝顶溃口到坝体底部的距离6m，而水位回落的警戒线4m，水库溃口冲击深度2m的情况下，则渗流开始从坝顶溢出。因此可以得出，坝顶渗流是坝体破坏的主要原因之一。

3.2 坝顶裂缝的渗透与渗流破坏

在大坝坝顶出现裂缝的情况下，分散性土均质的渗透系数会迅速升高。坝顶横向裂缝，会导致从坝顶溃口到坝体底部的渗透破坏，这是渗透作用影响的最大高度范围。根据从坝顶溃口到坝体底部的数据分析，可以得出：坝顶裂缝渗流至坝坡的渗径长度L为15.6m。坝体裂缝渗透的水力坡降0.12，而分散性黏土的水力坡降值1.25。从理论分析，大坝坝顶的渗透破坏，不会对整个坝体造成巨大影响。但从表格1，2中可以得出，在分散性黏土水力坡降小于2时，实验孔径在10min时间内扩大4倍；同时坝顶裂缝受到雨水的不断冲刷，其土质结构就会分散成较小的颗粒状。因此颗粒状土质不能抵御强烈的水流冲刷，分散性土均质的土坝溃坝现象就会随之发生。

4 分散性土均质土坝的加固与排水措施

分散性土均质土坝在抵御水流冲击方面，仍旧存在很多需要解决的问题。因此在分散性土均质土坝防护上，要从加固、排水两方面制定措施，来保证暴雨时期土坝的稳固性。首先土坝建筑施工部门应在采用非分散性土铺设路面，坝顶坝肩设置排水系统，以保证坝顶雨水的排流通畅。排水系统的设置主要起到坝顶防渗作用，同时也对坝坡的雨水冲刷具有保护作用。而坝坡的加固方案为在分散性土中加入3%的石灰，或者在坝坡使用中粗砂填筑，形成一层反滤隔离体，来避免雨水对坝体的破坏。

5 结语

有机质土、黏土等渗透性强的土质原来为团状的聚集结构，在纯净水体中会分散成较小的颗粒状结构，黏性也会大大降低。因此对于分散性土均质土坝防护方面，要将分散性土质的加入3%的石灰，变为非分散性土质。同时也要从坝体加固、排水两方面着手，对分散性土质的坝顶、坝坡进行防护处理，才能有效避免渗透溃坝情况的发生。

［1］梁满洋.均质土坝填筑施工的技术要点及管理方法研究［J］.广东科技，2014（2）.

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［3］赵高文，樊恒辉，石美.基于黏性土分散机制的分散性土化学改性研究［J］.岩土力学，2013（S2）.

［4］王启东.基于分散性黏土的综合评定［J］.黑龙江水利科技，2013（8）.

［5］黎志键，戴明，大容山.（高垌）水库均质土坝防渗设计［J］.红水河，2012（1）：6-10.

Situation of dispersive soil homogeneous earth dam seepage destructive and dam failure cause analysis

LUO Xue
（Management Office of Songhua-Nen River Engineering，Daqing 163000，China）

Analysis of the seepage situation of dispersion soil in homogeneous earth dam ， dam failure cause and its characters，the solutions for dam protection are put forward.

dispersive soil； homogeneous earth dam； seepage failure； dam

P64 文献标识码：B 文章编号：1672-9900（2017）06-0089-04

2017-10-13

罗 雪（1982-），女（汉族），广西桂林人，硕士研究生，主要从事水利水电方向研究，（Tel）13261737277。

王艳肖）