深覆蓋層堤壩地基滲流控制技術(shù)探究

蒯 斌

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

深覆蓋層堤壩地基滲流控制技術(shù)探究

蒯 斌

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

在整合理論控制研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程技術(shù)實(shí)例，對(duì)深覆蓋層堤壩地基滲流的破壞形式及產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了探討總結(jié)，初步總結(jié)了不同土質(zhì)條件及水力條件下的滲流控制技術(shù)，提出了壩基防滲要堅(jiān)持多種防滲、排滲技術(shù)相結(jié)合的滲流控制原則，以期為工程實(shí)踐提供理論及技術(shù)支持。

深覆蓋層;防滲;排滲;控制技術(shù)

經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外由于壩基滲流造成滲流破壞，進(jìn)而導(dǎo)致工程事故的案例約占事故總數(shù)的30～40%，成為影響水利工程安全運(yùn)行的重要因素，而其中復(fù)雜壩基的滲流現(xiàn)象對(duì)工程的安全性、長(zhǎng)久性運(yùn)行更有著顯著影響。作為一種典型的復(fù)雜壩基，深覆蓋層堤壩地基的滲透穩(wěn)定性在很大程度上影響著工程的安全可靠性，考慮到該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)的廣泛使用，筆者通過(guò)理論總結(jié)［1-3］、工程實(shí)例分析［4-8］等方法，對(duì)深覆蓋層堤壩地基的滲流破壞形式、滲流控制技術(shù)及其效果分析進(jìn)行探究，以期為工程實(shí)際中的應(yīng)用提供參考。

1 壩基滲流破壞形式

滲流是水在巖土、砂石等孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)現(xiàn)象。在滲流的影響下，某些土體失去部分承載力及阻流能力從而發(fā)生滲透變形，當(dāng)土體失去全部承載力及阻流能力時(shí)，產(chǎn)生滲透破壞。滲流現(xiàn)象無(wú)法完全避免，且隨地質(zhì)條件、水力條件等因素變化，其表現(xiàn)形式有所變化，為了能夠更有針對(duì)性地將地基滲流控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，下面對(duì)常見的幾種滲流破壞形式作出總結(jié)。

1.1 管涌

管涌分為機(jī)械管涌與化學(xué)管涌，其中最常見的是機(jī)械管涌，其是在滲流的作用下，細(xì)微顆粒在土體中粗顆粒形成的孔隙通道內(nèi)流動(dòng)，隨著細(xì)微顆粒的流失，孔隙不斷擴(kuò)大，滲流量不斷增加，進(jìn)而帶動(dòng)粗顆粒流動(dòng)并逐步形成土體內(nèi)貫通的滲流通道，土體被破壞的現(xiàn)象。

當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件中缺少非粘性土壤顆粒或防滲工程效能低下時(shí)，極易發(fā)生管涌現(xiàn)象，當(dāng)管涌發(fā)生時(shí)，隨著上游水位的升高，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，滲流帶動(dòng)流失的土體越多，會(huì)破壞堤壩地基的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，造成堤壩塌陷、潰壩等事故。管涌現(xiàn)象的發(fā)生受當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件及水力條件的共同影響，圖1為管涌示意圖。

圖1 管涌示意圖

1.2 流土

流土是指在滲流作用下，土體中表面隆起、部分土體的全部顆粒同時(shí)移動(dòng)并流失的現(xiàn)象。無(wú)論是非黏性土質(zhì)或者黏性土質(zhì)，當(dāng)水力坡降達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，均會(huì)發(fā)生流土現(xiàn)象。非黏性土體中，流土變形表現(xiàn)為沙沸、土體翻滾最終被滲流托起;黏性土體中，流土變形表現(xiàn)為土體表面隆起、膨脹等現(xiàn)象。與管涌現(xiàn)象不同，流土常常在壩體下游地基的滲流出口無(wú)任何保護(hù)的部位，而不在地基土體內(nèi)部，且流土的發(fā)展速度很快。產(chǎn)生流土現(xiàn)象的根本原因在于滲流逸出梯度較大，圖2為流土示意圖。

值得注意的是，對(duì)地基土體為單一土層而言，滲流破壞僅表現(xiàn)為管涌與流土。

圖2 流土示意圖

1.3 接觸沖刷

滲流沿著兩種不同介質(zhì)（通常是不同土層）間的接觸面流動(dòng)，當(dāng)細(xì)顆粒粒徑小于接觸面孔隙通道時(shí)，滲流將細(xì)顆粒沿接觸層面帶走的現(xiàn)象稱為接觸沖刷，這里的接觸層面方向是任意的。

接觸沖刷主要發(fā)生在壩體地下邊線與地基土層的接觸面或者雙層地基的接觸面上，圖3為接觸沖刷示意圖。

圖3 接觸沖刷示意圖

1.4 接觸流土

接觸流土是指當(dāng)滲流垂直于兩種滲透系數(shù)相差很大的相鄰?fù)翆咏佑|面時(shí)，將滲透系數(shù)較小的土層的細(xì)顆粒帶入到滲透系數(shù)較大的另一土層的現(xiàn)象。工程實(shí)際中，一些不符合規(guī)格要求的反濾層接觸面上的反濾層淤塞現(xiàn)象常常是由于接觸流土造成的，圖4為接觸流土示意圖。

圖4 接觸流土示意圖

2 滲流控制技術(shù)

前面對(duì)壩基滲流問(wèn)題的破壞機(jī)理、形式及體現(xiàn)作了全面總結(jié)，由分析可知，壩基滲流控制對(duì)發(fā)揮水工結(jié)構(gòu)的工程效益及社會(huì)效益十分關(guān)鍵，為此，壩基滲流控制技術(shù)應(yīng)該結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)較可能發(fā)生滲流現(xiàn)象的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效控制。一方面從加強(qiáng)壩基抵抗?jié)B流破壞的能力入手，一方面從降低滲透破壞入手，具體控制技術(shù)可分為防滲技術(shù)、排滲技術(shù)、壓滲技術(shù)和反濾技術(shù)。

2.1 防滲技術(shù)

防滲技術(shù)采取的主要途徑是延長(zhǎng)滲徑，降低滲流坡降及下游出逸坡降，從而減少滲漏量，保護(hù)水工建筑物的穩(wěn)定，其具體形式包含水平防滲與垂直防滲2種。

水平防滲是在上游進(jìn)行水平鋪蓋或護(hù)面的鋪設(shè)用于提高防滲性能，常有混凝土護(hù)面和粘土鋪蓋等形式，常見的防滲體是混凝土、粘土、瀝青等透水性很小的材料。工程實(shí)際中，當(dāng)土基的相對(duì)均質(zhì)性較好且滲透性不強(qiáng)時(shí)，較宜采用水平防滲技術(shù)，而對(duì)于砂礫或多層堤基，則效果不太明顯。

垂直防滲作為壩基防滲的一種重要方法，其適用范圍主要取決于壩基的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。垂直防滲與壩體防滲體相連，可以作為封閉式結(jié)構(gòu)，阻斷滲流通道，降低滲流破壞發(fā)生的可能性。根據(jù)防滲深度及范圍的不同，垂直防滲技術(shù)分為完全式（著底式）、不完全式（懸掛式）、箱式三種。其中完全式垂直防滲措施底部與不透水層連接，完全阻斷砂礫層，防滲效果好;懸掛式垂直防滲技術(shù)則只適合采用承受水力梯度大的板樁及混凝土防滲墻等作為懸掛式帷幕，且在出口處布置好反濾層，并核算出口滲透的穩(wěn)定性;箱式帷幕則適用于深厚砂礫地基中。

對(duì)于壩基滲流問(wèn)題，各種垂直防滲設(shè)施都能可靠、有效地解決，是深覆蓋層堤壩地基滲流的重要控制技術(shù)。

2.2 排滲技術(shù)

排滲是將透水性能強(qiáng)的材料（砂礫石料、土工織物等）布置在壩體內(nèi)部與地基的一些滲流坡降大的部位作排水體，使?jié)B透壓力提前釋放，并通過(guò)排水體流出，提高允許水力梯度，防止地基部分產(chǎn)生滲透變形，增強(qiáng)了建筑物的穩(wěn)定性。排滲技術(shù)也可分為水平排滲與垂直排滲2種類型。

水平排滲的主要形式有褥墊排水（壩體內(nèi)）、管式排水和出滲排水（下游壩趾），可以減少下游坡面的滲出流量。垂直排滲在降低下游壩坡浸潤(rùn)線的同時(shí)，減少滲流量，其主要形式有稍微傾斜的直立式排水（壩體內(nèi)）、貼坡排水、減壓溝（地基內(nèi)）排水以及減壓井排水等。需要特別指出的是，排滲措施需要與其它滲控措施（如防滲）配合使用，當(dāng)?shù)虊魏笥猩w重壓滲時(shí)，在蓋重的末端設(shè)置排滲溝。常見的堤壩滲流控制技術(shù)如圖5所示。

圖5 堤壩滲流控制示意圖

2.3 壓滲技術(shù)

壓滲是通過(guò)設(shè)置蓋重在壩體下游坡腳附近，以平衡部分水壓，防止管涌及流土現(xiàn)象產(chǎn)生的技術(shù)。當(dāng)不透水層較深且透水層較厚時(shí)，常采用背水側(cè)壓滲蓋重處理或延伸蓋重與防滲措施相結(jié)合的措施處理。由于蓋重土層可以通過(guò)人工填筑及吹填來(lái)形成，操作簡(jiǎn)單易行，因此得到廣泛應(yīng)用。蓋重壓滲選取的填料最好是透水材料，若材料為粘性土，則對(duì)蓋重長(zhǎng)度及厚度的設(shè)計(jì)要特別注意。

2.4 反濾技術(shù)

反濾設(shè)施由沿滲流方向粒徑逐漸增大的二至三層無(wú)粘性土料組成。在滲流逸出口或滲流從細(xì)顆粒土層流入粗顆粒土層的接觸面上布置反濾措施，可以將滲水與地下結(jié)構(gòu)層顆粒隔開，提高允許水力梯度，防止?jié)B透變形的產(chǎn)生。

滲流進(jìn)入反濾設(shè)施后，大部分或全部滲透壓力消失，因此，反濾層的設(shè)計(jì)，可以保護(hù)滲流出口，防止部分土顆粒的流失，是防止?jié)B透破壞發(fā)生的有效措施之一。反濾層的實(shí)施過(guò)程中，需要注意以下幾點(diǎn)。

（1）細(xì)顆粒不應(yīng)穿過(guò)大顆粒一層的孔隙。

（2）每一層內(nèi)的顆粒不應(yīng)移動(dòng)。

（3）除特別小的顆粒，被保護(hù)的顆粒不能經(jīng)反濾層帶走。

（4）反濾層不能堵塞。

結(jié)合上述常見的地基滲流破壞形式及滲流控制技術(shù)，不難發(fā)現(xiàn)，滲流與地質(zhì)條件、水力條件等因素有關(guān)，對(duì)深覆蓋層堤壩地基的滲流控制研究應(yīng)該從防滲材料、滲流控制技術(shù)配合及防滲成果檢測(cè)等幾個(gè)方面入手。

（1）研發(fā)新型價(jià)格低廉，抗?jié)B性能較好的材料，提高各項(xiàng)防滲措施的防滲能力。

（2）針對(duì)不同地基情況，組合不同防滲、排滲措施，改善防滲系統(tǒng)的綜合控滲能力。

（3）研發(fā)新的防滲成果檢查手段，對(duì)深覆蓋層堤壩地基滲流的控制效果進(jìn)行合理判斷。

3 結(jié)語(yǔ)

壩基滲流造成的滲流破壞主要體現(xiàn)在管涌、流土、接觸沖刷以及接觸流土。滲流問(wèn)題不可避免，但通過(guò)有效的防滲、排滲措施搭配作用可以最大限度地控制滲流變形、滲流破壞的發(fā)生。研發(fā)較強(qiáng)抗?jié)B性能的材料，配合更直觀有效的防滲成果檢測(cè)手段，可以為地基防滲工作提供更有力的幫助。

本文雖然對(duì)深覆蓋層堤壩地基滲流的破壞形式及產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了探討總結(jié)，初步總結(jié)了不同土質(zhì)條件及水力條件下的滲流控制技術(shù)，提出了壩基防滲要堅(jiān)持多種防滲、排滲技術(shù)相結(jié)合的滲流控制原則。但具體到工程實(shí)際中，則應(yīng)視具體工程情況，先進(jìn)行理論分析及實(shí)驗(yàn)分析，最后確定最合適的滲流控制方案，因此，需要做進(jìn)一步深入模擬與研究，以期為工程實(shí)際提供理論及技術(shù)支持。

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1008-1305（2015）06-0060-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2015.06.023

蒯 斌（1982年—），男，工程師。