土壩的滲流問(wèn)題及其控制措施分析

姜雪玲

北京市京密引水管理處 北京 101400

土壩指的是用土、碎石、土和土的混合物作為壩料，投入大壩材料，利用拋填、碾壓施工方法，建成一定形狀的擋水建筑物。大壩材料主要是土石材，可以在工地附近取料，從而降低材料運(yùn)輸成本，土壩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，工期短，成本相對(duì)較低，因此是我國(guó)目前使用最廣泛的大壩結(jié)構(gòu)。我國(guó)初期建造的水庫(kù)由松動(dòng)的泥石材料填充，長(zhǎng)期流水的沖擊經(jīng)常發(fā)生漏水。土壩的主要特點(diǎn)是壩基滲漏、壩體滲漏和壩周圍滲漏。本文重點(diǎn)分析了土壩基礎(chǔ)滲漏、壩體滲漏的原因及相應(yīng)的控制措施。

1 土壩的類別

土壩主要利用在施工地點(diǎn)處開采的建筑材料或當(dāng)?shù)氐耐亮?、石料等，通過(guò)拋填、碾壓的方法堆筑而成的壩。土壩按照筑壩材料區(qū)分，一是土壩，主要以土和沙礫為主；二是堆石壩，主要以石渣、鵝卵石、爆破石料等為主；第三是土石混合壩，筑壩材料為土石混合料。土壩的特點(diǎn)是對(duì)建造地點(diǎn)、地質(zhì)地理等要求較低，能夠適應(yīng)較多的地質(zhì)地理類型[1]。

2 土壩滲流的形式

填筑土壩的土料和壩基的沙礫呈現(xiàn)散粒體結(jié)構(gòu)，顆粒與顆粒之間存在一定的孔隙，因此會(huì)有一定的透水性，這便是土壩發(fā)生滲流情況的原因。如果這種滲流情況的出現(xiàn)是在設(shè)計(jì)或者管理人員的監(jiān)控之下，則為正常情況下的滲流。正常情況下的滲流主要有以下幾種表現(xiàn)狀態(tài)：大壩任何部位的壩體都會(huì)出現(xiàn)滲流狀況，滲流流量較小，水質(zhì)較好，清澈透明，基本不裹挾土壤顆粒，因此對(duì)于壩體和壩基不會(huì)造成滲透性的損壞。但是壩體滲流一旦出現(xiàn)較為渾濁的水質(zhì)，滲流流量較大且非常集中，水流透明度極低，裹挾大量泥沙，嚴(yán)重影響壩體和壩基情況，并使其產(chǎn)生管涌，流土、接觸性沖刷等嚴(yán)重破壞狀況，這種滲流便稱之為異常滲流。這種異常滲流的出現(xiàn)會(huì)造成土體滲透破壞狀況，嚴(yán)重影響本地蓄水興利政策的實(shí)施。

3 某土壩滲流問(wèn)題分析

由于大多數(shù)土壩建筑都屬于散粒結(jié)構(gòu)，有很大的孔隙存在于土壩壩身的土粒之間。同時(shí)，土壩對(duì)于地基的地質(zhì)并沒(méi)有太高的要求，在較差的巖石地基或者是土基上都可以建筑。因此，在水庫(kù)蓄水時(shí)，迫于水造成的壓力，難以避免會(huì)出現(xiàn)一些滲漏的現(xiàn)象。除了土壩地基的斷層破碎帶以及熔巖地層室外，壩身或者是壩基土體也會(huì)出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，也就是所謂的繞壩滲漏、壩基滲漏以及壩身滲漏。當(dāng)這些滲漏部位的滲漏量超過(guò)可控定量時(shí)就會(huì)對(duì)大壩造成滲流的安全問(wèn)題，甚至出現(xiàn)不可估量的后果。

這種壩基滲漏主要是因?yàn)殇伾w裂縫所造成的或者是因?yàn)樾膲ο陆厮畨εc基礎(chǔ)接觸遭到?jīng)_刷破壞而形成的。產(chǎn)生鋪蓋裂縫的根本原因就是基礎(chǔ)沉陷不均勻時(shí)鋪蓋被拉伸出現(xiàn)裂縫而產(chǎn)生的，或者還是因?yàn)槭┕み^(guò)程中防滲材料中水分含量過(guò)大在干結(jié)時(shí)造成了嚴(yán)重的裂縫。心墻下截水墻與基礎(chǔ)接觸面遭到?jīng)_刷破壞的原因是兩者之間接觸面的反濾層失效，在遭受沖刷的過(guò)程中壩體產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞。另外，地質(zhì)條件復(fù)雜，基巖的完整性、連續(xù)性較差，也是產(chǎn)生壩基滲漏的重要因素。新疆塔里木河流域希尼爾水庫(kù)大壩的壩基防滲采取塑膜垂直鋪設(shè)，壩體防滲塑膜繞過(guò)止滑墩后水平鋪設(shè)約8m和壩基垂直塑膜焊接設(shè)計(jì)深度為壩體安全滲流深度，塑膜垂直鋪設(shè)采用大開挖方式施工，開挖較深時(shí)塌方、地下水過(guò)高等原因，施工難度大，因此造成了新疆塔里木河流域希尼爾水庫(kù)大壩壩基滲漏這個(gè)主要問(wèn)題。

首先，大壩目前監(jiān)測(cè)設(shè)施并不完善，甚至很多監(jiān)測(cè)設(shè)施已經(jīng)出現(xiàn)損壞的問(wèn)題，并不具備良好的自動(dòng)化檢測(cè)能力。其次，在大壩防水以及引水等結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)明顯的局部裂縫，同時(shí)金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重的銹蝕以及漏水的現(xiàn)象。最后，大壩滲漏嚴(yán)重，下游坡局部壩段曾出現(xiàn)滑坡，壩腳附近多處曾出現(xiàn)管涌，正常蓄水位工況下壩后滲透壓力大，下游壩坡出溢點(diǎn)高，下游壩坡及壩腳附近滲透穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求；壩頂防浪墻按臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工，墻底未與復(fù)合土工膜結(jié)合，不滿足規(guī)范要求；上游混凝土面板護(hù)坡局部破損[2]。

4 水利施工中土壩出現(xiàn)滲漏的原因

4.1 壩體出現(xiàn)滲漏在水利工程中，會(huì)發(fā)生壩體滲漏情況

（1）水利工程中使用的土壤含有一些雜質(zhì)，影響修理工程的透水性。（2）修理施工期間分層軋制處理不當(dāng)，發(fā)生滲漏情況。（3）水利工程排水系統(tǒng)不合理，水利工程排水性不強(qiáng)，水壩漏水，影響了水利工程的安全運(yùn)行。

4.2 壩基出現(xiàn)滲漏在水利工程中，會(huì)發(fā)生壩基滲漏情況

出現(xiàn)壩基滲漏主要是由以下兩個(gè)原因造成的：（1）在修理工程期間，有關(guān)人員對(duì)基礎(chǔ)清理不徹底，部分腐蝕物質(zhì)影響修理工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，導(dǎo)致壩基滲漏。（2）修理工程設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)水槽切割沒(méi)有合理分析，水槽不能很好地承受水的沖擊，壩基發(fā)生了漏水。

4.3 繞壩滲流對(duì)于繞壩滲流情況的發(fā)生

主要是因?yàn)樵谒こ淌┕ぶ?，相關(guān)施工人員沒(méi)有對(duì)水文地質(zhì)條件進(jìn)行合理分析，沒(méi)有對(duì)風(fēng)化巖石和破碎巖石進(jìn)行仔細(xì)勘察，從而導(dǎo)致發(fā)生繞壩滲流問(wèn)題，對(duì)水利工程質(zhì)量產(chǎn)生了影響。

4.4 接觸滲漏在水利工程中

發(fā)生接觸滲漏情況主要是因?yàn)樗こ袒A(chǔ)沒(méi)有清理好，沒(méi)有做結(jié)合槽。另外，水利工程土壩兩端與山體結(jié)合部分坡面過(guò)陡，沒(méi)有做防滲刺墻，從而導(dǎo)致發(fā)生接觸滲漏情況，從而對(duì)水利工程質(zhì)量造成一定程度影響。

5 具體滲流成因分析

5.1 設(shè)計(jì)上的缺陷

由于技術(shù)水平有限，片面的追求施工速度導(dǎo)致施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。另外在當(dāng)時(shí)水利工程建設(shè)中，存在邊設(shè)計(jì)、邊施工，在設(shè)計(jì)思想片面追求速度的情況。在工程施工中，大量采用經(jīng)濟(jì)管徑，沒(méi)有對(duì)泄洪需求進(jìn)行充分考慮，所運(yùn)用的放水涵管尺寸比較小，從而導(dǎo)致水利工程出現(xiàn)大面積散浸情況，對(duì)于水利工程穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了一定影響。

5.2 材料上的缺陷

一些水利工程施工中，由于建設(shè)時(shí)材料比較缺乏，所以在水利工程在施工中，所使用的材料有不達(dá)標(biāo)的情況，比如采用含水量和腐蝕物比較多的水稻土進(jìn)行壩體的填筑工作，在后期使用中出現(xiàn)滲漏問(wèn)題，對(duì)水利工程正常運(yùn)行造成影響。

5.3 運(yùn)行管理上的缺陷

在水利工程運(yùn)行中，由于運(yùn)行管理有問(wèn)題，導(dǎo)致出現(xiàn)滲漏問(wèn)題。在水利工程建設(shè)成以后，沒(méi)有對(duì)水利工程安裝相關(guān)的觀測(cè)設(shè)備，導(dǎo)致大壩運(yùn)行觀測(cè)資料不能很好的獲取。在水利工程運(yùn)行中，沒(méi)有完善的規(guī)章制度，沒(méi)有相關(guān)應(yīng)急預(yù)案，導(dǎo)致了啟閉設(shè)施嚴(yán)重失修，導(dǎo)致在汛期不能正常打開，從而導(dǎo)致出現(xiàn)滲漏問(wèn)題。

6 對(duì)該土壩滲流的控制措施

依照上堵下排的防滲處理基本原則，新疆塔里木河流域希尼爾水庫(kù)土壩上游采取水平防滲與垂直防滲兩種方式相結(jié)合的防滲處理方法，有效地阻止或者減少滲流在壩基通過(guò)；在下游設(shè)置排水溝或者是減壓井都能夠有效排出已經(jīng)進(jìn)入壩基的水流，使其不會(huì)引發(fā)滲透危害。具體的防滲措施如下：

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，防滲墻將采用較為先進(jìn)并非常適合本水庫(kù)地質(zhì)條件的銑削攪拌水泥土防滲墻。這種措施通過(guò)銑削攪拌鉆機(jī)在掘進(jìn)、注漿、供氣、銑、削和攪拌過(guò)程中，兩個(gè)銑輪相對(duì)相向旋轉(zhuǎn)銑削地層，銑削下沉?xí)r通過(guò)方形導(dǎo)桿施加向下的推進(jìn)力掘進(jìn)切削，在此過(guò)程中，通過(guò)供氣、注漿系統(tǒng)同時(shí)向槽內(nèi)分別注入高壓氣體、清水，直至要求的設(shè)計(jì)深度。此后，兩個(gè)銑輪作相反方向相向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)方形導(dǎo)桿向上慢慢提起銑輪，并通過(guò)供氣、注漿管路系統(tǒng)再向槽內(nèi)分別注入氣體和固化液，并與槽內(nèi)的泥、砂相混合，從而形成由砂土、固化劑、水等形成的混合物防滲墻體。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是在進(jìn)行防滲處理時(shí)不必放空水庫(kù)，施工周期短、速度快、節(jié)省材料并且有很好的防滲效果。通過(guò)使用造孔設(shè)備，在土壩下游壩基坡，沿縱向方向進(jìn)行造孔，每個(gè)孔之間都有一定的距離。這些鉆孔必須要穿過(guò)透水層，進(jìn)入強(qiáng)透水層中，并且要達(dá)到一定的深度才能夠起到減壓的作用，進(jìn)而防止?jié)B漏。

根據(jù)對(duì)水庫(kù)的實(shí)地地質(zhì)勘探，該水庫(kù)壩基地層巖性上部巖性為第四系沖洪積中粗砂，層厚多在1.0-4.0m，最大可達(dá)6.0m；其下為新近系砂巖、泥巖，基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚5-8.0m，巖石透水率一般大于10呂榮值。強(qiáng)風(fēng)化層以下透水率多小于5.0Lu，因此，壩基防滲采用垂直防滲處理形式。但是考慮到壩基強(qiáng)風(fēng)化層的巖性為砂巖以及泥巖，所以壩基垂直防滲采用帷幕灌漿防滲的形式進(jìn)行防滲作業(yè)。按照相關(guān)的施工規(guī)范，本次設(shè)計(jì)的帷幕灌漿控制在5Lu。

對(duì)于本次防滲措施，施工前設(shè)計(jì)了兩種施工方式。方案一是將壩基的防滲軸線布置于上游壩坡坡腳的阻滑墻的部位，也就是將前坡腳的回填料進(jìn)行清除，在進(jìn)行過(guò)防滲處理時(shí)進(jìn)行回填，對(duì)壩基采用槽孔栓防滲墻以及帷幕灌漿相結(jié)合的方式進(jìn)行防滲控制。方案二是將防滲軸向不再在上游壩坡坡腳延伸位置的基巖面以下，也就是將前坡腳基巖面以上的覆蓋層全部清除，清除到基巖面1m以下為止，當(dāng)基礎(chǔ)防滲處理之后進(jìn)行回填，壩基防滲處理采用帷幕灌漿處理的方式。

站在工程地質(zhì)條件的角度對(duì)這兩種防滲方案進(jìn)行比較，兩種方案壩基處理工程地質(zhì)條件相同，砼防滲墻及灌漿砼蓋板均要求澆筑至基巖面以下1.0m處是這兩種方案的共同需求，同時(shí)還要保持在5Lu及沿線垂直鋪塑以及帷幕灌漿。站在工程投資角度進(jìn)行比較，使用方案一進(jìn)行防滲處理需要進(jìn)行施工導(dǎo)流渠、帷幕灌漿、槽孔砼防滲墻、擋水圍堰等，整個(gè)工程中的靜態(tài)投資達(dá)到173272.60萬(wàn)元，使用方案二進(jìn)行防滲處理需要進(jìn)行帷幕灌漿、擋水圍堰以及施工疏導(dǎo)渠，單單從施工內(nèi)容方面就明顯簡(jiǎn)化，工程總投資需要花費(fèi)15489.04萬(wàn)元，從這方面比較來(lái)說(shuō)選擇方案二進(jìn)行防滲處理更優(yōu)。最后，站在施工條件的角度進(jìn)行比較，根據(jù)槽孔砼施工工藝及技術(shù)要求，施工臺(tái)面必須保持干燥的狀態(tài)，方案一以及方案二都需要對(duì)前坡腳的回填覆蓋層進(jìn)行清除，需要人工結(jié)合機(jī)械進(jìn)行開挖，由于該水庫(kù)的地下水位很高，施工期間建基面受地下水以及庫(kù)水反滲的影響較大。而使用方案二壩基防滲措施僅僅使用帷幕灌漿防滲處理法，不受地下水影響。

7 土壩加固前后的穩(wěn)定分析

為了提高該土壩的防洪能力，處理壩體滲流情況，避免對(duì)周邊村落或周邊人民群眾的生產(chǎn)生活造成威脅，應(yīng)當(dāng)重視大壩的滲漏問(wèn)題，對(duì)大壩原本的壩頂、壩坡、排水棱體等內(nèi)容進(jìn)行加固，對(duì)壩身部位也應(yīng)當(dāng)堵漏與修正，截滲大壩已經(jīng)出現(xiàn)的滲流通道，將壩坡中出現(xiàn)滲流情況的部位進(jìn)行修整，才能更好的提高大壩的建筑質(zhì)量，保證其正常運(yùn)行[3]。

根據(jù)筆者收集的資料，在某土壩加固之后，大壩位移與加固之前的位移相比有所增大但變化處于合理數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)；應(yīng)力變化情況不大，但加固之后的壩體應(yīng)力水平明顯高于加固之前，最大壓應(yīng)力甚至比加固之前增大一個(gè)量級(jí)（如表1所示）。這是由于心墻的自重以及兩側(cè)壩體的自重向下對(duì)于墻體造成了一定的摩擦力。

表1 土石壩加固前后位移、應(yīng)力對(duì)比表

由此可知，在加固土壩的過(guò)程中，防滲墻能夠有效增強(qiáng)壩體的防滲效果，能降低浸潤(rùn)線高程，但是加大了壩體的應(yīng)力，使得防滲墻受到應(yīng)力的作用出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的狀態(tài)，尤其是防滲墻的底部，受到應(yīng)力的作用與影響更為明顯。由混凝土材質(zhì)組成的心墻受到的影響較低，應(yīng)力的變化依舊在混凝土的抗壓強(qiáng)度區(qū)間之內(nèi)。

8 結(jié)語(yǔ)

在土壩建設(shè)完成之后，壩身以及壩基都存在一定的滲漏現(xiàn)象，若滲漏量超過(guò)可控范圍就會(huì)產(chǎn)生流土、管涌等滲流破壞，大壩以及下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全將直接受到影響。因此，要及時(shí)地查明超可控范圍滲漏現(xiàn)象的原因并對(duì)其進(jìn)行及時(shí)地加固。此外，造成土壩滲流的因素多種多樣，要區(qū)別地對(duì)這些影響因素。在諸多的治理方法中，垂直防滲流法的效果會(huì)明顯好于平面防滲流法，但是有很高的需求條件，一般情況下都是采用堵排結(jié)合的方式進(jìn)行防滲流治理，面對(duì)出現(xiàn)的滲 流現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)采取治理方法中的一種或者多種組合的方式進(jìn)行治理，采用不同的方式進(jìn)行滲流治理。