探讨水库土石坝工程渗流原因及控制措施

【摘要】在水库溃坝事故中，渗漏是主要因素之一。文章结合日常工程中遇到的问题，分析导致渗漏的各种因素，提出上截下排为主的处理措施，即上游防渗减渗，做松土铺盖、灌浆、采用土工合成材料防渗等措施。

【关键词】土石坝；渗流分析；渗流破坏；渗流控制

土石坝是一种常用的挡水建筑物，既然挡水则必然伴随着渗流。根据国内外的大量资料显示，由于渗流破坏而造成土石坝失事的比例占到35%左右。因此，在土石坝设计中进行渗流分析是有效降低土石坝渗漏破坏、布设防渗措施的重要前提。

1、引言

水库是水利产业的重要措施，建国后我国已兴建了各类水库。因为水库受修建时间较长、当时的技术等因素所限制，现在大部分水库带病工作，事故较多，对人民生产和国民经济产生了一定影响。由于当时历史条件及技术、经验不足等原因，很多水库工程存在着不同程度的质量和防洪标准问题，使水库事故不断增加，给国家和人民生命财产造成了重大损失。土坝存在问题，除防洪标准偏低外，主要是工程质量问题，具体表现在渗漏、滑坡和裂缝。概括起来，是一个防渗加固问题，一般处理防渗的原则是“上堵下排”。上堵的措施有垂直防渗和水平防渗。垂直防渗有混凝土防渗墙、高压喷射灌浆防渗、劈裂灌浆防渗、冲抓套井回填防渗、倒挂井防渗、土工合成材料防渗、射水造孔混凝土墙防渗和岩溶帷幕灌浆防渗等。水平防渗有人工粘土铺盖和利用天然铺盖等，并结合下排的措施有：在坝体背水坡脚附近开挖导渗沟、减压井和盖重压渗等。

2 土石坝渗流破坏的主要形式

2.1 坝体渗漏

土石坝产生坝体渗漏的表现形式有两种：

（1） 在下游坝面出现渗水或散渗。

（2） 在下游坝面出现集中渗漏。

渗水或散渗的产生是由于坝体渗透水量超过了允许范围或渗流溢出点太高， 这种情况会导致下游坝面产生沼泽化，坝体浸润面抬高，坝坡土体的抗剪强度减小，坝体产生滑坡或滑塌的可能性大大增加。集中渗漏的产生是由于在坝体内有裂缝等薄弱层的存在，导致水库蓄水后在坝体内形成渗漏通道。施工时坝体分层碾压不充分，将比较容易导致坝体裂缝的产生。

2.2 坝基渗漏

土石坝勘测时若遇坝基地质条件不佳， 设计和施工时应采取必要的工程处理措施，如清基、换填、灌浆等。若设计、施工处理不当，清基不彻底或未采取必要的防渗措施，水库蓄水后，土石坝坝后地面及坝基容易产生膨胀、断裂和泡泉等渗漏现象，严重影响坝体的稳定性。

2.3 绕坝渗漏

绕坝渗漏和坝基渗漏一样，也与地质条件有关。坝肩山体地质条件不佳，存在裂隙、断层或溶洞、坝岸接头处理措施不当等，均可能导致绕坝渗漏。绕坝渗漏即会影响坝肩山体的安全， 同时也会对坝基和坝体产生连带影响。

3 土石坝渗流控制措施

土石坝的渗流控制措施实质上是延长渗径，使其渗透坡降不超过允许坡降， 来保持土石坝的渗透稳定， 同时结合采用合适的排水措施， 排出渗透水流，进一步降低下游坝基的剩余水头。土石坝渗流控制的总原则是“上截下排”。“上截”就是在坝轴线以上部位堵截渗流途径，减少水渗入坝体或坝基，提高防渗能力。“下排”就是在下游做好反滤导渗等排水措施。使渗水在下游通畅排出，但不带走坝体或坝基上的土粒，不改变坝体或坝基的变形和强度。常用的土石坝防渗措施分为水平防渗和垂直防渗两类。

3.1 水平防渗

水平防渗主要适用于对小型土石坝的坝基进行防渗，主要做法是在坝体上游加防渗铺盖，目的是延长渗径，减小渗流坡度，降低渗漏损失。当小型土石坝坝址处基础覆盖层较高时，若采用垂直防渗，工程造价非常高，此时宜采用水平防渗铺盖。水平防渗铺盖的优点在于造价低廉，施工工艺简单，缺点在于防渗效果不如垂直防渗，且施工前需将水库放空，具有季节性施工的局限性。在实际工程设计中，一般将水平防渗与其他防渗措施结合使用，以达到更佳的效果。

3.2 垂直防渗

3.2.1 帷幕灌浆

帷幕灌浆一般适用于岩石基础的坝基防渗处理。帷幕灌浆设计的核心工作是确定钻孔的数量、孔距和深度， 需要结合水文地质条件和现场灌浆试验来综合分析。帷幕灌浆设计其基本设计思想就是确定出帷幕的最大有效扩散半径和灌浆孔距间所保持的最优关系，计算出最安全、经济、有效的扩散半径和孔距，以此获得最大的技术经济效益。防渗帷幕可采用水泥灌浆或化学灌浆。水泥灌浆是一种常见的灌浆形式，化学灌浆是将一定的化学材料配制成溶液灌入地层或缝隙内，使其渗透、扩散、胶凝或固化，以增加地层强度、降低地层渗透性、防止地层变形和进行混凝土建筑物裂缝修补的一项加固技术。化学灌浆具有较好的可灌性和抗渗性，但由于其高昂的造价和容易污染地下水质的局限性，致使其应用范围不如水泥灌浆广泛。

3.2.2 土工合成材料

土工合成材料一般适用于土石坝坝体的防渗处理，主要分为土工织物、土工膜、土工特种材料和土工复合材料等类型。土工膜在工程中应用范围较广，铺设方式可分为沿土石坝上游坝坡铺设和在坝体内垂直铺设。沿土石坝上游坝坡铺设时，坝坡一般比较平缓，需要较多的土工膜用量，但铺设工艺简单，更新和维修便利。沿土石坝坝体垂直铺设时，可不受上游坝坡坡度的影响，节省土工膜用量，但土工膜的更新和检修难度增大。土工膜防渗技术自投入土石坝防渗工程以来发展迅速，应用范围越来越广。与其他防渗技术相比，其突出优点有：

（1） 铺设工艺简单，施工速度较快，能大量缩短工期。

（2） 土工膜材料有较高的抗拉强度和塑形变形能力，能适应土石坝坝体不同程度的变形条件。

（3） 材料具有较好的抗老化能力。

（4） 土工膜生产厂家较多，价格低廉，质量轻且运输方便。

3.2.3 土质防渗体

土质防渗体是土石坝设计中应用最为广泛的一种防渗结构。防渗体一般为粘性土填筑，粘性土比土石坝壳料具有更小的渗透系数，易于形成截水墙，降低坝体的渗漏水量和渗透压力，控制坝体内浸润线的位置，控制渗流稳定。土质防渗体一般分为粘土心墙和粘土斜墙两种，在进行设计时，核心工作是确定能满足防渗要求的心墙和斜墙的厚度，防渗体的厚度需根据坝体的设计水头和心墙土料的容许水力坡降综合确定。

3.2.4 其他垂直防渗措施

随着施工工艺技术水平的提高，工程设计和施工中采用了很多新的防渗处理方式，如高压喷射灌浆和劈裂灌浆等，均在特定工程中取得了良好的防渗效果。

4 结语

土石坝渗漏原因各不相同， 在进行防渗加固之前，需要对地质情况、坝体结构和岸坡构造等进行详细的调查研究，分析土石坝的渗漏途径，选取合适的防渗措施进行处理， 才能达到事半功倍的效果。