我市江淮丘陵區(qū)水庫大壩的滲透變形及防止措施

俞萬有

摘 要：天長市位于長江以北，地處江淮之間，屬丘陵地帶，人工修建的中小型水庫多為上世紀(jì)五六十年代建成使用至今。該市水庫筑壩時(shí)壩體、壩基均采用黏性、非黏性土料，在運(yùn)行使用過程中，壩體、壩基滲透變形破壞較為嚴(yán)重和常見。本文有針對性地從土石壩滲透變形及其成因、滲流分析、滲透變形的判別標(biāo)準(zhǔn)和工程防止措施等方面進(jìn)行深入剖析，并提出解決我市土壩防滲問題的工程措施。

關(guān)鍵詞：土壩；滲透變形；防止措施

中圖分類號：TV697 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0109-02

安徽天長市位于長江以北，地處江淮之間，屬丘陵地帶；我市人工修建多座中小型水庫以滿足防洪、灌溉及水面養(yǎng)殖等綜合利用的要求。丘陵區(qū)不比山區(qū)，自然資源如砂石料等較為貧乏，因此我市水庫大壩在早期修建時(shí)均采用以黏性、非黏性土料為主的均質(zhì)土壩；壩基多由④層粉質(zhì)粘土（Q4al）和⑤層中粉質(zhì)壤土（Q4al）組成；壩身填土多由①層中粉質(zhì)壤土（Qml），②層粉質(zhì)粘土（Qml）和③層粉質(zhì)粘土（Qml）組成。在工程實(shí)踐中，土石壩可就地取材，節(jié)省“三材”，既經(jīng)濟(jì)又施工效率高且施工技術(shù)難度低；但同時(shí)也存在諸多弊端，如受氣候變化影響大、壩體易沉陷等，尤其壩體壩基滲透變形破壞較為嚴(yán)重和常見。

1 滲透變形及其成因

滲透變形，是土體在一定水力坡降滲流作用下發(fā)生變形或破壞的現(xiàn)象。它主要有管涌、流土、接觸沖刷及接觸流失等形式，工程實(shí)際中可能出現(xiàn)一種形式，也可能以多種形式伴隨出現(xiàn)在不同部位。

1.1 管涌

管涌，是在滲流作用下，土體內(nèi)的細(xì)顆粒沿粗顆粒的孔隙被滲透水流沖刷帶走的現(xiàn)象。根據(jù)滲透方向與重力方向的關(guān)系，管涌分為垂直管涌和水平管涌。管涌經(jīng)常發(fā)生在非黏性砂（礫）土體的下游坡面和地基滲流的逸出處，并由下游向上游擴(kuò)展。對于非粘性土，當(dāng)土中粗顆粒間的孔隙直徑大于細(xì)顆粒直徑且滲透壓力能夠克服阻力使得細(xì)顆粒在孔隙間移動才會發(fā)生管涌。對于黏性土土料，由于顆粒間存在很大的粘聚力，且孔隙較小，滲流壓力不足以克服阻力把顆粒帶走，因而難以發(fā)生管涌。

1.2 流土

流土，是在滲流作用下，因滲流壓力超過土體自重而造成局部土體的隆起、浮動或某一顆粒群的同時(shí)移動的現(xiàn)象。它主要發(fā)生部位在地基或土壩下游滲流逸出處。在滲透壓力作用下，土體中的顆粒群同時(shí)移動而流失，因而流土既可以發(fā)生在非黏性土中，也可以發(fā)生在黏性土中。

1.3 接觸沖刷

接觸沖刷，是滲流沿著兩種不同粒徑或滲透系數(shù)組成的土層層面或建筑物與地基的接觸面流動時(shí)，在接觸面處發(fā)生帶走細(xì)顆粒的現(xiàn)象。在工程實(shí)際中，沿兩種介質(zhì)界面，如建（構(gòu)）筑物與壩體、壩基等接觸面流動形成的沖刷均屬于此破壞類型。

1.4 接觸流失

接觸流失，是在滲透系數(shù)差別很大的兩個(gè)土層中，當(dāng)滲流垂直于層面運(yùn)動時(shí)，將滲透系數(shù)較小層的細(xì)顆粒帶入滲透系數(shù)較大層而流失的現(xiàn)象。接觸流失一般發(fā)生在顆粒粒徑相差較大的兩種土層的接觸部位，如在反濾層產(chǎn)生的機(jī)械淤堵等。接觸流失包括接觸流土和接觸管涌兩種類型。

1.5 滲透變形成因

滲透變形類型中最主要的是管涌和流土，黏性土的滲透變形常見形式是流土，非黏性土的滲透變形常見形式是管涌。對黏性土，可能產(chǎn)生的變形破壞形式有流土、接觸沖刷或接觸流失，不可能產(chǎn)生管涌破壞。對非黏性土，則四種破壞形式均可產(chǎn)生。一般情況下，管涌和流土主要發(fā)生在單一結(jié)構(gòu)的土體或地基中，而接觸沖刷和接觸流失主要發(fā)生在多層結(jié)構(gòu)的土體、地基或土體與建（構(gòu)）筑接觸部位中。

2 滲流分析

土石壩樞紐蓄水后，大壩壩體和透水地基將產(chǎn)生滲流。滲流不僅會造成水量的滲漏損失，還會對壩體穩(wěn)定產(chǎn)生影響。土石壩（堤防）滲流分析的內(nèi)容主要有：確定壩體浸潤線及其下游面逸出點(diǎn)的具體位置；計(jì)算滲流的主要參數(shù)及壩體和岸基內(nèi)的浸潤面；計(jì)算壩體和壩基的滲流量。我市土壩（堤防）進(jìn)行滲流分析常采用較簡單的水力學(xué)法和流網(wǎng)法進(jìn)行分析和計(jì)算。

2.1 水力學(xué)法

采用水力學(xué)法可以用來近似地確定浸潤線的位置，計(jì)算滲流量、平均流速和坡降。水力學(xué)方法首先要假定壩體內(nèi)土質(zhì)和性質(zhì)是均勻的（各向同性），各方向的滲透系數(shù)均相同；還假定滲流是層流，符合達(dá)西定律，任一豎直線上的流速和水頭是不變的常數(shù)。不透水地基均質(zhì)壩矩形土體的滲流計(jì)算公式為：q=k（H12-H22）/（2L），其中：q-單寬流量，k-滲流系數(shù)，H1、H2-矩形土體上、下游點(diǎn)距壩基的高度，L-矩形土體上、下游點(diǎn)水平距離。

2.2 流網(wǎng)法

流網(wǎng)，是在滲流場內(nèi)由流線和等勢線構(gòu)成的網(wǎng)格，流網(wǎng)法關(guān)鍵是要確定流網(wǎng)的邊界線，如圖1所示。

流場內(nèi)任一點(diǎn)處的滲透坡降和流速計(jì)算公式為：滲透坡降Ji=H/（nbi），流速ui=kH/（nbi）。式中：k-滲流系數(shù)；n-土體孔隙率；bi-某點(diǎn)在網(wǎng)格上的流線長度。

3 滲透變形的判別標(biāo)準(zhǔn)

我市土壩滲透變形常用臨界滲透坡降Jc作為判別標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)土體中的實(shí)際滲透坡降大于臨界滲透坡降時(shí)產(chǎn)生滲透破壞。Jc值通過室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)或計(jì)算的方法確定。

管涌按下式計(jì)算臨界滲透坡降：

Jc=42d/（R/n3）0.5

式中：d-流失顆粒粒徑（cm），可按小于該粒徑的顆粒占3%～5%確定；k-滲透系數(shù)（cm/s）；n-土體孔隙率。

流土采用太沙基公式計(jì)算臨界滲透坡降：

Jc=γs（1-n）/γ0

式中：γs-土粒重度；γ0-水的重度；n-土體孔隙率。

臨界滲透坡降確定后，根據(jù)建筑物的級別選定安全系數(shù)，以臨界坡降除以安全系數(shù)得到容許滲透坡降。對于無黏性土滲流出口無反濾層的情況，當(dāng)容許滲透坡降無試驗(yàn)資料時(shí)，可按表1中的數(shù)值選用（其中，η是土的不均勻系數(shù)）。

另外，通常從壩體和壩基的流網(wǎng)圖可得出滲流場各點(diǎn)處滲透坡降，再與容許坡降相比，即可判定壩體和壩基是否滿足滲透穩(wěn)定的要求。

4 土壩防止?jié)B透變形的技術(shù)措施

對于土壩（堤防），防止?jié)B透變形破壞的具體做法是，采取措施截?cái)嗤馏w中的滲透水流或減小土體中的滲透水流滲透坡降，從而使其小于允許坡降。工程實(shí)踐中，較為直接、可靠的方法是在發(fā)生滲流的土層中興建防滲墻，截?cái)嗤馏w中的滲透水流，降低滲透坡降；此外，同時(shí)采取技術(shù)措施增加壩體下游滲流出口處土體抵抗?jié)B透變形的能力，消除滲透變形的形成條件。近些年，我市水庫土壩及堤防等防止?jié)B透變形、破壞的具體工程技術(shù)措施為：一是采用多頭小直徑水泥土深層攪拌樁垂直防滲，增加滲徑長度，減小滲透坡降，截阻滲流通道；二是在下游設(shè)置減壓井、排水溝等減壓排水設(shè)施，有組織地排除滲水，降低滲流出口處的滲透壓力；三是在有可能發(fā)生流土的地段，采取工程措施增加滲流出口處的蓋重，同時(shí)在蓋重與保護(hù)層間鋪設(shè)反濾料排除滲水。

參考文獻(xiàn)

[1] 2018年版全國一級建造師執(zhí)業(yè)資格考試用書編寫委員會.水利水電工程管理與實(shí)務(wù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018：4.

[2] 任德林，張志軍.水工建筑物[M].南京：河海大學(xué)出版社，2001：8（2004：6修訂）.