【摘 要】文章基于我國土石壩工程的實(shí)際情況，分析了土石壩工程滲流破壞的的類型及成因，并提出了相應(yīng)的加固措施。
【關(guān)鍵詞】土石壩；滲流破壞；加固
【中圖分類號(hào)】 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1007-7723（2005）03-
【收稿日期】2005-02-19
【作者簡介】程小平（1962—），男，研究生學(xué)歷，深圳市東深投資控股有限公司水工建筑工程師、水利工程監(jiān)理工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)、施工、管理工作。
1 前言
土石壩是最普遍采用的一種壩型。不論是在全世界，還是在中國，與其他壩型相比較，土石壩都占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，與世界土石壩占大壩總數(shù)的82.9%，在中國土石壩數(shù)量占到大壩總數(shù)的93%，且大多是在建國后的第一個(gè)五年計(jì)劃(1953～1957年)和第二個(gè)五年計(jì)劃〔1958～1962年〕大躍進(jìn)時(shí)期以及十年“文革”期間修建，這些工程都是在“三邊”(邊勘測(cè)、邊設(shè)計(jì)、邊施工)工作方式下進(jìn)行并完成的。特別是小型水庫更是存在“四不清”(來水域、流域面積、庫容、基礎(chǔ)的地質(zhì)情況均未調(diào)查清楚)就動(dòng)工修建。不少的工程雖然完成，但工程質(zhì)量很差，“后遺癥”很多，留下了隱患，經(jīng)過了近40年的運(yùn)行，造成了大批的病險(xiǎn)水庫。
根據(jù)1981年的統(tǒng)計(jì)資料，我國由滲流而引起的破壞事故率約占31.7%。至1981年全國有2391座水庫失事，其中大型11座，其余為中小型，由于中小型水庫缺少水文地質(zhì)資料，漫壩沖垮者最多，占51.5%，其次就是滲漏導(dǎo)致垮壩，占29.1%，說明由于滲漏而造成的潰壩問題是相當(dāng)嚴(yán)重的。
2 滲流理論
水工建筑物的滲流控制主要包括控制理論和控制技術(shù)兩方面，控制理論是滲流理論在工程實(shí)踐中的發(fā)展和運(yùn)用，是向?qū)嵺`反饋的結(jié)果，滲流理論包括滲流的基本原理、滲流場的分析方法、土體滲透穩(wěn)定性三大部分，是滲流控制理論的基礎(chǔ)。滲流控制技術(shù)是滲流基礎(chǔ)理論的實(shí)施措施，如灌漿技術(shù)[1]，反濾壩技術(shù)[2]等。土石壩是擋水建筑物，它和滲流并存，從一定的意義來說，土石壩的發(fā)展史就是滲流控制理論的發(fā)展歷史。
1856年，達(dá)西( Darcy)解決了土的基本滲透理論，構(gòu)建了近代土石壩理論的雛形，導(dǎo)致了土石壩設(shè)計(jì)理論的飛躍，1886年，P.Forchciness發(fā)現(xiàn)土中滲流規(guī)律符合拉普拉斯方程、達(dá)西定律的方程式：
代入不可壓縮流體在剛性介質(zhì)中的連續(xù)性方程，且當(dāng)各向滲透系數(shù)取為常數(shù)時(shí):
當(dāng)土體各向同性，即
1925年，太沙基發(fā)現(xiàn)：由于土壤孔隙水的消散引起粘土固結(jié)的理論，進(jìn)一步他又提出了有效應(yīng)力的概念，成為了土力學(xué)理論的奠基石，也是現(xiàn)代土石壩滲流控制理論的核心。
3 滲流破壞機(jī)理
壩體和壩基的滲流控制是保證土石壩安全的一項(xiàng)重要措施，由于填筑土石壩的土料和壩基的砂礫是散粒體結(jié)構(gòu)，顆粒間存在大量的孔隙，都具有一定的透水性。水庫蓄水后，在水壓力的作用下，水流必然會(huì)沿著壩身土料、壩基土體和壩端兩岸地基中的孔隙滲向下游，造成壩身、壩基和繞壩的滲漏。若這種滲流是在設(shè)計(jì)控制之下，大壩任何部位的土體都不會(huì)產(chǎn)生滲透破壞，則為正常滲流，此時(shí)滲流量一般較小，水質(zhì)清澈透明，不含土壤顆粒，對(duì)壩體和壩基不致造成滲透破壞；反之對(duì)能引起土體滲透破壞，或滲流員過大且集中，水質(zhì)渾濁，透明度低，使壩體或壩基產(chǎn)生管涌，流土和接觸沖刷等滲透破壞，這種影響蓄水興利的滲流則為異常滲流。
對(duì)于已建壩，如何確定異常滲流極其危害性是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，首先要對(duì)壩址的工程水文地質(zhì)有比較充分的了解，壩的設(shè)計(jì)及施工完善程度也與滲漏有密切的聯(lián)系，可是由于地質(zhì)勘探的有限鉆孔只能揭示壩址地層的有限情況，局部的弱點(diǎn)，例如節(jié)理、裂隙，溶洞、斷層及強(qiáng)透水帶的情況往往難以弄清，另外，壩的防滲體和排水設(shè)施設(shè)計(jì)的正確程度，以及施工質(zhì)量難以達(dá)到理想的境界，由于施工而引起的滲流薄弱環(huán)節(jié)更非人們所能預(yù)料，而且，土石壩內(nèi)防滲體開裂也是經(jīng)常遇到的問題。
水庫建成蓄水后，大壩及其他建筑物連同山體，構(gòu)成擋水防滲體系。土石壩的防滲體系發(fā)生破壞。產(chǎn)生管涌流土等事故的原因，滲流控制理論分析認(rèn)為一般有以下幾點(diǎn)：
(1) 壩體填土與排水體之間的反濾層設(shè)計(jì)不正確，層間系數(shù)過大，或施工時(shí)有錯(cuò)斷混層現(xiàn)象，或填土不夠密實(shí)，過大的滲流使填土向排水體流失，都會(huì)造成反濾層破壞失效。許多實(shí)例證明，反濾層在整個(gè)的防滲體系中是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，即使前面的防滲體裂縫或出現(xiàn)滲漏通道，只要反濾層工作正常，排水降壓，滲漏破壞就不至于擴(kuò)大。
(2) 防滲體應(yīng)該直達(dá)基巖或底部連續(xù)可靠的粘土層，在開挖截水槽時(shí)，不可因施工困難，半途而廢，從而留下隱患。
(3) 土石壩兩岸岸坡不應(yīng)成臺(tái)階狀，應(yīng)該開搶成較平順的坡度，為減少開挖可以變坡，但是在上下兩坡度轉(zhuǎn)折處，兩坡角之差不應(yīng)大于15~20度，若有平臺(tái)，則平臺(tái)處填土高度與平臺(tái)的兩端的填土高度，高差懸殊沉陷量突變，容易產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致滲透破壞。
4 滲流破壞分類
根據(jù)滲流破壞機(jī)理不同，滲漏主要分為以下幾種：
（1）壩體滲漏
１）浸潤線從壩坡逸出
這將導(dǎo)致壩坡濕潤或沼澤化，這種現(xiàn)象一般發(fā)生在均質(zhì)壩或混合土料壩型中，過高的浸潤面增加了滑坡的可能性，同時(shí)由于滲流的長期作用和氣溫及降雨的影響，壩坡土體的抗剪強(qiáng)度減小，局部滲透破壞，滑塌的可能性加大。
2）下游壩面出現(xiàn)集中滲漏
壩體在分層填筑時(shí)土層較厚，施工機(jī)械的功率不足，致使每層填土上部密實(shí)，下部疏松形成水平集中滲漏帶，有的壩由于施工組織落后，特別是大規(guī)模的人工填筑施工，由于采用分段包干的填筑方法，土層厚薄不一，上升速度不一致，致使相臨兩段的接合部位出現(xiàn)了少壓或漏壓的松土帶。
3）壩體裂縫滲漏
壩體開裂是形成壩體隱蔽滲漏的原因之一，由于心墻或斜墻后的壩殼一般是強(qiáng)透水的土料，通過裂縫的集中滲漏將在壩殼中擴(kuò)散，因而難以發(fā)現(xiàn)集中滲漏區(qū)，根據(jù)壩殼浸潤面觀測(cè)成果也難以判斷滲漏的存在[3]。
（2）壩后地面滲漏
土石壩外坡壩后地面出現(xiàn)砂沸、砂環(huán)、泉涌、管涌或沼澤化是經(jīng)常遇到的滲漏現(xiàn)象，其成因與地層的構(gòu)造及未能采取有效的滲流控制有關(guān)。
對(duì)表層為透水性較小的粉細(xì)砂，淤泥或壤土，其下為強(qiáng)透水的砂礫石或砂層地基，若壩后沒有采取排水減壓措施(減壓井、減壓溝)或有排水設(shè)施，但是由于這種地層的滲流出逸坡降較大，當(dāng)出逸坡降人于表層土的臨界坡降時(shí)，壩后地面即出現(xiàn)砂沸等破壞現(xiàn)象。
（3）壩基滲漏及防滲設(shè)施的非正常滲漏
許多在特殊歷史時(shí)期建造的土石壩不是根據(jù)壩工理論按照規(guī)范來進(jìn)行的，許多土石壩開工建設(shè)前未作前期的水文地質(zhì)工作或地質(zhì)勘探過于粗糙，因而使得土石壩工程某至大型土石壩工程竟然未作任何防滲處理。
（4）接觸部位滲漏
在壩體與壩基，壩體兩次墻、齒墻與涵管(小型水庫中常見)，壩體與兩岸山坡，防滲設(shè)施與破碎基巖之間的各種接觸部位，由于設(shè)計(jì)和施工等多方面的原因往往容易成為滲漏的捷徑而發(fā)生接觸沖刷甚至垮壩失事。
（5）繞壩滲漏
壩的兩岸山體裂隙、節(jié)理發(fā)育或有斷層和巖溶，或?yàn)橥杆牡谒募o(jì)堆積層，則繞壩滲流除影響山體本身的安全外，對(duì)壩體和壩基亦有不利的影響。
5 加固方法
滲透破壞加固方法的原理是在上游不使或少使來水滲入壩體或壩基，并使?jié)B水在下游通暢排出，但不帶走壩體或壩基上的土粒和不改變壩體或壩基的變形和強(qiáng)度。即上游防滲、下游排水減壓和導(dǎo)滲[4]。
按防滲、排滲、濾土排水的不同，防滲排滲加固方法可分為以下幾種：
(1) 防滲加固方法。在上、中游設(shè)置切斷透水壩基的垂直防滲措施有：土質(zhì)截水槽、混凝土防滲墻、樁柱式防滲墻、粘土防滲墻、防滲板墻、灌漿帷幕、泥漿槽防滲墻、自凝灰漿防滲墻，混凝土防滲墻和灌漿帷幕的組合等等。其中混凝土防滲墻在土石壩壩基、混凝土閘壩基礎(chǔ)、土圍堰堰體與堰基以及病險(xiǎn)土石壩的防滲加固方面應(yīng)用最廣。
(2) 排滲加固方法。防滲加固方法采取后，仍需采用貼坡排水、棱體排水、褥墊排水及其組合，壩體內(nèi)豎向排水層和水平排水層、排水溝、減壓井、透水蓋重等排水設(shè)備，排除上游滲水，降低浸潤線及下游壩基上的水頭。
土石壩發(fā)生病害是多種因素共同作用的結(jié)果。發(fā)生病害后，應(yīng)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，首先要注意檢查滲流破壞跡象，裂縫的發(fā)生和發(fā)展等異常現(xiàn)象；其次用電測(cè)和同位素設(shè)備探測(cè)隱患，以及使用大壩原型觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。在安全監(jiān)控的基礎(chǔ)上，考慮選用土石壩加固方法。由于土石壩工程情況復(fù)雜，機(jī)具、材料等具體條件的多變性，以及上述土石壩加固方法很多且都有其適用范圍及局限性的優(yōu)缺點(diǎn)。因此，對(duì)每一具體工程病害，都應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)分析，克服盲目性。土石壩的加固方法應(yīng)是技術(shù)上合理、又能滿足施工要求，可采用一種或幾種的組合加固方法。
【參考文獻(xiàn)】
[1] 劉杰．土石壩滲透破壞的原因及控制措施[J]．水利水電技術(shù)，1999，（3）．
[2] 宋守度．無粘土反濾料的試驗(yàn)研究[J]．水利學(xué)報(bào)，1981，（1）．
[3] 劉杰．土石壩裂縫防止與滲流控制[J]．水利水電技術(shù)，1991，（2）．
