如何控制水利工程中的滲流問題

摘要：水利工程有別于其他工程門類的主要方面是它常常是臨水的，這樣滲流就成為其關(guān)鍵技術(shù)問題之一。滲流問題涉及水量的滲漏損失、滲透變形及滲流引發(fā)的工程事故等。相關(guān)的課題是滲透理論、滲流分析計算和滲流控制。經(jīng)過百余年的工程實踐和科學(xué)研究，無論是土中的滲流，還是巖體裂隙中的滲流都取得了許多研究成果，但還有許多有待研究的課題。

關(guān)鍵詞：滲流；防滲；滲透

中圖分類號： TV698 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1674-0432（2013）-18-89-1

1 滲流的工程問題

在水利工程的擋水堤壩，輸水的溝渠管線，河道的岸坡及工程邊坡，地下水的運移和污染等課題中，滲流分析與滲流控制是關(guān)鍵技術(shù)問題。許多病險水庫的大壩和江河堤防的失事常常是由滲流引起的。據(jù)我國20世紀80年代的統(tǒng)計，當(dāng)時全國241座大型水庫先后出過1000余宗工程事故，其中以滲透變形事故最多，占31.7%。至于垮壩失事，除小型水庫漫頂垮壩所占的比例稍高以外，其次就是滲透變形導(dǎo)致垮壩，占29.1%（其中壩體滲漏占22.7%）。根據(jù)國內(nèi)外的統(tǒng)計，由于滲漏管涌造成的潰壩占30%～40%，其他如裂縫、滑動等也都與滲流有密切關(guān)系。

美國的弟頓（Teton）壩是土質(zhì)肥心墻壩，最大壩高126.5米，壩頂長1625米，于1976年6月5日潰壩，造成巨大經(jīng)濟和社會損失。從有混水處露到潰壩，約歷時5小時。據(jù)專家論證認為，心墻齒槽的低應(yīng)力區(qū)發(fā)生水力劈裂可能是主要的原因。

我國青海省的溝后水庫大壩，是混凝土面板砂礫石壩。最大庫容330萬m3，最大壩高71米，壩頂設(shè)有5米高防浪墻，壩頂長265米。大壩于1993年8月27日晚間潰決。造成了300余人死亡和重大的財產(chǎn)損失。據(jù)專家調(diào)查分析，認為是在高水位下L形防浪墻與面板接縫處被拉開，導(dǎo)致壩頂嚴重漏水，水流從壩頂高處逸出，沖刷壩體和導(dǎo)致壩頂局部滑坡引起潰壩。

2 堤壩的滲透破壞

土的滲透變形包括了流土和管涌，在不同介質(zhì)之間還可能發(fā)生接觸流土與接觸沖刷。流土的判斷準(zhǔn)則較為簡單和清楚，管涌的發(fā)生與土的級配密切相關(guān)。國內(nèi)外學(xué)者提出了許多管涌的臨界水力坡降的準(zhǔn)則。在我國，結(jié)合1998年長江洪水中堤防的滲透破壞機理，開展了廣泛的試驗、理論和數(shù)值計算研究工作。特別是針對滲透變形引起的地基與堤壩破壞的過程與機理進行研究。長江科學(xué)院通過模型試驗對矩形槽土體中管涌擴展過程的模擬和實驗結(jié)果，得出管涌的發(fā)生并不必然導(dǎo)致堤壩潰決這一重要結(jié)論。認為滲透變形是一個動態(tài)過程，當(dāng)它們達到新的平衡后管涌的擴展也就停止了。提出了管涌模擬的隨機模型。他們通過室內(nèi)模型試驗和滲流計算，對于在二元結(jié)構(gòu)的堤基情況下，在設(shè)置懸掛式垂直防滲墻時，堤基中管涌的發(fā)生、發(fā)展和破壞的規(guī)律進行了系統(tǒng)地研究。結(jié)果表明，在單一和具有二元結(jié)構(gòu)的堤基中設(shè)置懸掛式垂直防滲墻不能明顯降低逸出的水力坡降，未能明顯降低逸出的水力坡降和防止管涌的發(fā)生，但是它可以有效地阻止管涌向上游的發(fā)展，保證堤防的安全。值得說明的是，他們所謂的“管涌”實際上是泛指滲透變形或滲透破壞。目前，用數(shù)值計算準(zhǔn)確地模擬堤壩及其地基的滲透破壞的全過程還有困難。

土質(zhì)防滲體壩中的裂縫與潰壩可能是由于水力劈裂引起的。水力劈裂這一概念最初來自于石油開采業(yè)，可利用水力劈裂將巖體裂縫劈開加大出油量。在土體中同樣可能發(fā)生水力劈裂，例如在水利工程中發(fā)現(xiàn)，一些施工良好的壩蓄水以后意外的漏水，人們認為最大可能是由水力劈裂引起的。早在1968年Haimson進行了巖石鉆孔的水力劈裂試驗。Nobari在1973年利用空心圓柱土樣進行了土的水力劈裂試驗。1981年Jaworski、Duncan和Seed結(jié)合Teton壩的失事進行了試驗研究。Kulhawy等人1976年通過有限元數(shù)值計算對于壩體出現(xiàn)水力劈裂的原因和條件進行模擬和探討。我國在“七五”國家科技攻關(guān)項目中對于壩體的水力劈裂進行了系統(tǒng)的研究。黃文熙提出水力劈裂的發(fā)生準(zhǔn)則：在總應(yīng)力和內(nèi)部孔隙水壓力作用下，有效的小主應(yīng)力為拉應(yīng)力并達到土的抗拉強度時，就會在最小主應(yīng)力面發(fā)生水力劈裂。他也指導(dǎo)完成了一系列復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下水力劈裂的試驗研究。由于土體自身存在微觀的缺陷，在受力變形以后它會受到損傷，這就使土體中的水力劈裂的微觀機理可能十分復(fù)雜，所以關(guān)于壩體水力劈裂的研究還有待深入。

3 水利工程中的滲流控制

滲流控制目的是為了使堤壩或者水工建筑物地基不致被滲流破壞，或者為了減少漏水量。具體任務(wù)可能是：降低下游剩余水頭或者降低浸潤線；控制水力坡降或流速；控制滲流量，減少漏水量。但有時為了工程安全，某些措施也可能增加滲流量。滲流控制的基本方法是防滲與排滲。

壩體的防滲設(shè)施有土質(zhì)防滲體和非土質(zhì)防滲體。其中面板堆石壩以混凝土面板作為壩體的防滲體。早期的高面板堆石壩常因四周邊縫被拉開而產(chǎn)生繞壩滲流，發(fā)生大量漏水。以后吸取教訓(xùn)，改進了周邊縫設(shè)計，注意了地基處理，使?jié)B流量大大的減少。面板堆石壩的滲流控制措施可以歸納為以下幾點：

（1）各防滲系統(tǒng)之間，例如地基防滲帷幕與壩體混凝土面板之間，用趾板聯(lián)結(jié)，形成完整的防滲體系。（2）由上游面板到下游，在壩體中由細到粗設(shè)置墊層料、過渡料、主堆石料、次堆石料，面板上游底部還應(yīng)設(shè)置防滲鋪蓋。 （3）在用砂礫料和風(fēng)化料作壩體材料時，在壩軸線或略偏于上游處，主壩堆石料與風(fēng)化料或軟巖石的次堆石區(qū)之間設(shè)煙囪式排水，控制可能的滲流。分析溝后水庫的潰壩原因之一是壩體排水不暢。（4）在堆石體與地基或岸坡接觸處，當(dāng)有風(fēng)化層、泥化巖層、斷層裂隙的泥質(zhì)充填處時，如果有發(fā)生滲流沖刷可能，要設(shè)置反濾保護。（5）在混凝土接縫中，特別是易于受拉的周邊縫中，設(shè)置能適應(yīng)大變形同時能保持防滲性能的止水材料。

作者簡介：馬麗萍，女，大專，就職于吉林省前郭縣水利勘測設(shè)計隊，研究方向：水利。