我市江淮丘陵区水库大坝的渗透变形及防止措施

俞万有

摘 要：天长市位于长江以北，地处江淮之间，属丘陵地带，人工修建的中小型水库多为上世纪五六十年代建成使用至今。该市水库筑坝时坝体、坝基均采用黏性、非黏性土料，在运行使用过程中，坝体、坝基渗透变形破坏较为严重和常见。本文有针对性地从土石坝渗透变形及其成因、渗流分析、渗透变形的判别标准和工程防止措施等方面进行深入剖析，并提出解决我市土坝防渗问题的工程措施。

关键词：土坝；渗透变形；防止措施

中图分类号：TV697 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）15-0109-02

安徽天长市位于长江以北，地处江淮之间，属丘陵地带；我市人工修建多座中小型水库以满足防洪、灌溉及水面养殖等综合利用的要求。丘陵区不比山区，自然资源如砂石料等较为贫乏，因此我市水库大坝在早期修建时均采用以黏性、非黏性土料为主的均质土坝；坝基多由④层粉质粘土（Q4al）和⑤层中粉质壤土（Q4al）组成；坝身填土多由①层中粉质壤土（Qml），②层粉质粘土（Qml）和③层粉质粘土（Qml）组成。在工程实践中，土石坝可就地取材，节省“三材”，既经济又施工效率高且施工技术难度低；但同时也存在诸多弊端，如受气候变化影响大、坝体易沉陷等，尤其坝体坝基渗透变形破坏较为严重和常见。

1 渗透变形及其成因

渗透变形，是土体在一定水力坡降渗流作用下发生变形或破坏的现象。它主要有管涌、流土、接触冲刷及接触流失等形式，工程实际中可能出现一种形式，也可能以多种形式伴随出现在不同部位。

1.1 管涌

管涌，是在渗流作用下，土体内的细颗粒沿粗颗粒的孔隙被渗透水流冲刷带走的现象。根据渗透方向与重力方向的关系，管涌分为垂直管涌和水平管涌。管涌经常发生在非黏性砂（砾）土体的下游坡面和地基渗流的逸出处，并由下游向上游扩展。对于非粘性土，当土中粗颗粒间的孔隙直径大于细颗粒直径且渗透压力能够克服阻力使得细颗粒在孔隙间移动才会发生管涌。对于黏性土土料，由于颗粒间存在很大的粘聚力，且孔隙较小，渗流压力不足以克服阻力把颗粒带走，因而难以发生管涌。

1.2 流土

流土，是在渗流作用下，因渗流压力超过土体自重而造成局部土体的隆起、浮动或某一颗粒群的同时移动的现象。它主要发生部位在地基或土坝下游渗流逸出处。在渗透压力作用下，土体中的颗粒群同时移动而流失，因而流土既可以发生在非黏性土中，也可以发生在黏性土中。

1.3 接触冲刷

接触冲刷，是渗流沿着两种不同粒径或渗透系数组成的土层层面或建筑物与地基的接触面流动时，在接触面处发生带走细颗粒的现象。在工程实际中，沿两种介质界面，如建（构）筑物与坝体、坝基等接触面流动形成的冲刷均属于此破坏类型。

1.4 接触流失

接触流失，是在渗透系数差别很大的两个土层中，当渗流垂直于层面运动时，将渗透系数较小层的细颗粒带入渗透系数较大层而流失的现象。接触流失一般发生在颗粒粒径相差较大的两种土层的接触部位，如在反滤层产生的机械淤堵等。接触流失包括接触流土和接触管涌两种类型。

1.5 渗透变形成因

渗透变形类型中最主要的是管涌和流土，黏性土的渗透变形常见形式是流土，非黏性土的渗透变形常见形式是管涌。对黏性土，可能产生的变形破坏形式有流土、接触冲刷或接触流失，不可能产生管涌破坏。对非黏性土，则四种破坏形式均可产生。一般情况下，管涌和流土主要发生在单一结构的土体或地基中，而接触冲刷和接触流失主要发生在多层结构的土体、地基或土体与建（构）筑接触部位中。

2 渗流分析

土石坝枢纽蓄水后，大坝坝体和透水地基将产生渗流。渗流不仅会造成水量的渗漏损失，还会对坝体稳定产生影响。土石坝（堤防）渗流分析的内容主要有：确定坝体浸润线及其下游面逸出点的具体位置；计算渗流的主要参数及坝体和岸基内的浸润面；计算坝体和坝基的渗流量。我市土坝（堤防）进行渗流分析常采用较简单的水力学法和流网法进行分析和计算。

2.1 水力学法

采用水力学法可以用来近似地确定浸润线的位置，计算渗流量、平均流速和坡降。水力学方法首先要假定坝体内土质和性质是均匀的（各向同性），各方向的渗透系数均相同；还假定渗流是层流，符合达西定律，任一竖直线上的流速和水头是不变的常数。不透水地基均质坝矩形土体的渗流计算公式为：q=k（H12-H22）/（2L），其中：q-单宽流量，k-渗流系数，H1、H2-矩形土体上、下游点距坝基的高度，L-矩形土体上、下游点水平距离。

2.2 流网法

流网，是在渗流场内由流线和等势线构成的网格，流网法关键是要确定流网的边界线，如图1所示。

流场内任一点处的渗透坡降和流速计算公式为：渗透坡降Ji=H/（nbi），流速ui=kH/（nbi）。式中：k-渗流系数；n-土体孔隙率；bi-某点在网格上的流线长度。

3 渗透变形的判别标准

我市土坝渗透变形常用临界渗透坡降Jc作为判别标准，即当土体中的实际渗透坡降大于临界渗透坡降时产生渗透破坏。Jc值通过室内试验、现场试验或计算的方法确定。

管涌按下式计算临界渗透坡降：

Jc=42d/（R/n3）0.5

式中：d-流失颗粒粒径（cm），可按小于该粒径的颗粒占3%～5%确定；k-渗透系数（cm/s）；n-土体孔隙率。

流土采用太沙基公式计算临界渗透坡降：

Jc=γs（1-n）/γ0

式中：γs-土粒重度；γ0-水的重度；n-土体孔隙率。

临界渗透坡降确定后，根据建筑物的级别选定安全系数，以临界坡降除以安全系数得到容许渗透坡降。对于无黏性土渗流出口无反滤层的情况，当容许渗透坡降无试验资料时，可按表1中的数值选用（其中，η是土的不均匀系数）。

另外，通常从坝体和坝基的流网图可得出渗流场各点处渗透坡降，再与容许坡降相比，即可判定坝体和坝基是否满足渗透稳定的要求。

4 土坝防止渗透变形的技术措施

对于土坝（堤防），防止渗透变形破坏的具体做法是，采取措施截断土体中的渗透水流或减小土体中的渗透水流渗透坡降，从而使其小于允许坡降。工程实践中，较为直接、可靠的方法是在发生渗流的土层中兴建防渗墙，截断土体中的渗透水流，降低渗透坡降；此外，同时采取技术措施增加坝体下游渗流出口处土体抵抗渗透变形的能力，消除渗透变形的形成条件。近些年，我市水库土坝及堤防等防止渗透变形、破坏的具体工程技术措施为：一是采用多頭小直径水泥土深层搅拌桩垂直防渗，增加渗径长度，减小渗透坡降，截阻渗流通道；二是在下游设置减压井、排水沟等减压排水设施，有组织地排除渗水，降低渗流出口处的渗透压力；三是在有可能发生流土的地段，采取工程措施增加渗流出口处的盖重，同时在盖重与保护层间铺设反滤料排除渗水。

参考文献

[1] 2018年版全国一级建造师执业资格考试用书编写委员会.水利水电工程管理与实务[M].北京：中国建筑工业出版社，2018：4.

[2] 任德林，张志军.水工建筑物[M].南京：河海大学出版社，2001：8（2004：6修订）.