關于土石壩防滲加固工程若干問題的探討

【摘 要】本文就土石壩發生滲透變形的形式以及破壞機理進行了綜述，并由此提出了相關加固措施，謹供大家作參考之用。

【關鍵詞】土石壩；滲透破壞；破壞機理；加固措施

1 前言

一般情況下，土石壩能夠就地取材，不但節約資源，其造價也比其它壩型低，另一方面，土石壩的風險相對來說比混凝土壩的風險要大。據不完全統計，土石壩的失事率約占大壩總失事率的60%。本文從土石壩的特性入手，對其發生滲透變形的形式以及破壞機理進行了綜述，并由此提出了相關加固措施。

2 土石壩滲透變形形式及破壞機理

土石壩是由松散顆粒土石材料經填筑碾壓而成的擋水建筑物。按其施工方法的不同可分為碾壓式土石壩、拋填式堆石壩、定向爆破堆石壩、水中倒土壩和水力充填壩，其中以碾壓式土石壩應用最為廣泛；按照土料在壩體中的配置和防滲體的位置不同，土石壩又可分為以下三種基本形式：

2.1 均質壩

均質壩壩體的一般由同一種透水性較弱的粘性土料填筑而成，其優點是材料單一、便于就地取材，結構簡單、易于施工，易于維修和加高擴建。其缺點是壩坡較緩，剖面較大，須使用大量土料。因粘性土料在回填施工中受到各種條件的限制，壩體孔隙水壓力大，故在高壩中較少采用這種壩型。

該類壩型的病險原因大多是因為施工時清基不徹底，造成壩基部分甚至全部坐落在砂礫石透水層上或強風化等裂隙發育的巖基上，以及壩體施工填筑分層厚度不勻，分縫多的影響，壓實質量差，壓實度及滲透性不滿足規范要求。其在滲流方面的病害表現主要為：壩面滲漏，壩基滲漏，壩肩繞滲以及壩體土料較差或填筑質量較差而造成散浸，下游反濾、排水設施施工質量差，坍塌損壞等。

2.2 分區壩

分區壩是由幾種不同材料按區域回填形成的擋水建筑物，壩體斷面由若干透水性不同的材料分區構成，具體可分為心墻壩（土質防滲體設在壩體中部或稍向上游傾斜的分區壩）、斜墻壩（土質防滲體設在壩體上游面或接近上游面的分區壩）等壩型。在我國已建的土質防滲體分區壩中，絕大多數為心墻壩。防滲體一般均采用粘性土，壩殼料主要有砂石料、土石混合料及石碴料等。

土質防滲體分區壩的病險工程中，常遇見的問題：基礎透水層清基不徹底而發生滲漏；反濾層不符合反濾保土要求而發生損壞；防滲體施工質量不滿足規范要求而發生滲漏；防滲體本身或接縫處理不好造成滲漏；防滲體與剛性建筑物連接滲徑偏短或接觸面垂直造成滲漏。

2.3 人工防滲材料壩

壩的防滲體由素混凝土、鋼筋混凝土、瀝青混凝土或其他人工材料（如復合土工膜）等組成，其余部分由土石料填筑而成。可分為心墻壩（防滲體設在壩體中部或稍向上游傾斜的分區壩）、斜墻壩（防滲體設在壩體上游面或接近上游面的分區壩）等壩型。

面板堆石壩是近年來發展迅速并廣泛運用的一種壩型，其是由混凝土面板、趾板及分縫止水構成防滲體，墊層、過渡層及堆石作為支撐體的大壩。

土工合成材料作為新材料、新技術，主要包括土工織物、土工膜以及土工格柵等類型，因其具有穩定可靠、施工方便、造價較低等特點，在我國水利水電工程中得到了極其迅速的發展。工程中作為壩體、壩基、圍堰等防滲材料時，主要采用土工膜或復合土工膜。嚴格來講，人工材料壩屬于分區壩，其常遇見的問題亦與之相同。

3 土石壩防滲加固措施

3.1 滲透變形分析

3.1.1 滲透變形的型式

滲透變形是指壩體及壩基中的滲流，由于其機械或化學作用，使土體產生局部破壞。滲透變形的形式與土料性質、土料的顆粒級配、水流條件以及防滲和排滲措施等諸多因素有關。總的來講，可以分為管涌、流土、接觸沖刷及接觸流失等類型，工程中大多數以管涌和流土較為常見。

一般來講，粘性土只會發生流土破壞而不會發生管涌破壞，分散性土（指在低含鹽量水中（或純凈水中）離子相互的排斥力超過了相互吸引力，導致土體的顆粒分散的粘性土，一般采用摻加2％～3％的石灰進行改性處理后才可使用）除外。對于非粘性土來講，影響其滲透變形的因素很多，主要包括土的顆粒級配、細顆粒含量及密度等。

3.1.2 滲透破壞標準

滲透破壞與滲透變形不一樣，只要有土顆粒的運動就會發生滲透變形，而滲透破壞則是指基層土體在滲流作用下失去承載力或穩定性，所以滲透變形量變到一定的程度才會發生滲透破壞。土體在滲流的作用下是否產生滲透破壞，主要取決于土體本身的抗滲強度，工程中具體以臨界坡降為判斷標準。臨界坡降是指土體中的細顆粒隨著滲透的加劇，由靜止狀態轉化為運動狀態的坡降。當土體中的滲透坡降大于臨界坡降時，則土體發生滲透變形，繼而產生滲透破壞。

3.2 防滲加固措施

土石壩發生滲流破壞的原因可能是多方面的，如勘測資料不足、未經試驗、設計不周、施工質量控制不嚴或運行管理欠妥善等。工程中為防滲土石壩發生滲透破壞，一般都采取一定的措施對其進行加固，而土石壩的防滲加固措施的選擇受多種因素的制約，特別是施工條件和工期的限制，所以，選擇土石壩加固措施時，應根據工程病害的具體情況對各種加固措施進行技術、經濟比較，以最少的投資、最短的工期、較小的環境污染，創造最佳的工程效益。

3.2.1 防滲設計原則

（1）滲流控制主要因素是滲徑或滲流坡降，按最不利滲流穩定工況設計，保證滲透坡降小于允許值。其次還有滲水流速、滲水量也應滿足一定的要求。

（2）滲流控制措施主要為“前堵、后排，出口設置反濾”。

（3）兼顧施工工藝、技術等因素。防滲方案應可行，且施工方便。

3.2.2 防滲加固措施

防滲加固措施一般按加固方案的形式可分為水平防滲、垂直防滲兩大類。對于水平防滲，通常采用水平防滲鋪蓋，設計應控制其厚度、長度滿足有關規范要求；垂直防滲是亦十分常見的工程措施之一。采用垂直防滲措施，尤其是透水地基，與水平防滲相比，其防滲效果更加明顯，所以在工程中使用較為廣泛。

隨著我國水利科學技術的迅速發展，垂直防滲加固技術也取到了很大的進步，其常用的工程措施有：

（1）機械挖槽澆灌混凝土防滲墻；

（2）多頭小直徑深層攪拌連續水泥土防滲墻；

（3）高壓噴射灌漿（旋噴、擺噴、定噴等）水泥固結體防滲墻；

（4）沖抓套井回填粘土防滲墻；

（5）人工開挖回填土質防滲體；

（6）劈裂灌漿、錐探灌漿、水泥及化學滲透灌漿防滲等；

（7）土工合成材料防滲。

在防滲加固設計中，應根據壩體及壩基的工程地質條件、壩體的結構型式、大壩的高度、建筑物的重要性以及每一種工程措施的適用條件等綜合因素，進行技術、經濟比較，確定最優的防滲措施。在上述的幾種工程措施中，機械挖槽澆灌混凝土防滲墻雖然造價稍微有點偏高，但因其接頭可靠、易于控制、墻體抗滲穩定性較好，即其防滲性能較為穩妥可靠；同時，機械挖槽施工可適應較大深度的、各種厚度的墻體，故其在土石壩防滲加固中應用較多。

3.2.3 排滲加固方法

在防滲加固工程中，除采用上述的一些截滲措施外，同時還結合采用適當的排滲措施，例如采用貼坡排水、棱體排水、褥墊排水及其組合排水，壩體內豎向排水層和水平排水層、排水溝、減壓井、透水蓋重等排水設施，以排除上游或基礎滲水，降低壩體的浸潤線及下游壩基上的水頭。

主要排滲加固措施如下：

（1）反濾貼坡排水層；

（2）棱體排水壩趾；

（3）褥墊排水層；

（4）內部豎向排水層和水平排水層；

（5）排水溝；

（6）減壓井；

（7）反濾透水蓋重；

（8）上述措施的組合形式。

3.2.4 反濾層要求

反濾層有排出滲水和保護土體顆粒不被帶走的作用，反濾材料可用砂礫石料或土工織物，其主要用于細料和粗料之間的過渡區、滲透水流的出口處等，如壩趾排水棱體，粘土心墻和粗料壩殼之間等。

一般來講，砂礫石料可按其粒徑控制其透水性、保土性要求，其厚度通常為 200mm～300mm，其長度可根據滲透穩定確定；土工織物除具有足夠的強度和耐久性外，可按其單位面積質量控制其透水性、保土性以及防堵性要求，一般要求其質量不小于180g/m2。

4 結語

總之，土石壩是歷史最為悠久的一種傳統壩型，因取材方便、投資較少、易于施工等而使用較為普遍。但由于種種原因，大部分已建土石壩都存在著滲漏問題。因此，從保障人民生命財產安全、經濟發展、社會穩定等方面考慮，對滲漏嚴重的土石壩進行防滲加固是迫切需要的。