滲透變形對堤防(壩)穩定的影響及控制措施

呂錦偉

(安徽省水利水電勘測設計院，安徽蚌埠 233000)

0 引言

安徽省是個水利大省，長江、淮河各橫貫400 km。特殊的地理位置、復雜的氣候條件決定了本省水旱災害頻頻發生。為了有效地抵御洪水，本省在沿江、沿淮各干、支流和各中、小河流及各行、蓄洪區洼地修建了大量的堤防，且很多中、小型水庫大壩本身就是一段堤壩。因此，堤壩的安全直接關系到人民生命財產的安全及社會的和諧穩定。

堤防(壩)的破壞失事一般分為三種情況:一是軟土地基的沉降(陷);二是邊坡失穩而導致堤防(壩)產生滑坡或滑動;三是滲流破壞而導致堤防(壩)的失穩[1]。本文僅對第三種情況進行探討。

1 土的滲透變形

堤防(壩)滲流破壞的根本原因在于土的滲透變形，在工程實踐中，由于土體顆粒級配和土體結構的不同，土的滲透變形可分為流土、管涌、接觸沖刷、接觸流失四種形式[2]。

流土[3]流土是指在滲流作用下局部土體表面隆起，或土粒群同時起動而流失的現象。它主要發生在地基或土壩下游滲流逸出處。

管涌 管涌是指在滲流作用下土體中的細土粒在粗土粒形成的孔隙通道中發生移動并被帶走的現象。它主要發生在砂礫石地基或者粗細顆粒混雜不均的地基中。

接觸沖刷 當滲流沿著兩種滲透系數不同的土層接觸面，或建筑物與地基的接觸面流動時，沿接觸面帶走細顆粒稱接觸沖刷。

接觸流失 在層次分明、滲透系數相差懸殊的兩土層中，當滲流垂直于層面將滲透系數小的一層中的細顆粒帶到滲透系數大的一層中的現象稱為接觸流失。

前兩種類型主要出現在單一土層中，后兩種類型多出現在多層結構土層中。除分散性粘性土外，粘性土的滲透變形形式主要是流土。

應當指出的是，滲流可能會引起上述四種形式的破壞，但就土本身的性質來說，卻只有管涌和非管涌之分。對于某些土來說，即使在很大的水力梯度下也不會出現管涌，而對另一些土(如缺乏中間粒徑的砂礫料)卻在不大的水力梯度下就可以發生管涌。因此，通常把土分為管涌土和非管涌土兩種類型。管涌土的滲透變形形式屬管涌型;非管涌土的滲透變形形式屬流土型。

2 堤防(壩)滲流破壞的幾種形式

具體到堤防(壩)的破壞來說，筆者根據多年的工作經驗，總結出大致有以下幾種破壞形式:

(1)沿壩體或地基局部阻力較小的部位產生集中沖刷，土粒不斷隨滲透水流流失，最后形成連通管道或上部壩體的下沉、裂縫，造成堤防(壩)破壞。如砂層地基的承壓水，頂穿下游表層弱透水粉質壤土或淤泥土土層的薄弱部位形成集中滲流，發生流土泉涌現象并繼而向地基的上游發展成為連通管道(圖1-a)。易被滲流集中沖刷的薄弱部位，常常出現在壩體中未壓實的土層、壩基中的強透水夾層、壩體與內埋管道的接觸面以及壩體與基巖和邊墩的接觸面等處。

(2)在堤壩本身或地基的滲流出口處發生管涌，土中的細顆粒不斷被滲流攜出帶走，直至坡面破壞或形成內部連通管道(圖1-b)。

(3)背水坡腳大面積發生小泉涌及砂(土)沸現象，使坡腳軟化或受滲流作用而浮起，壩腳因失去支承力而引起大滑坡。或者滲流在下游壩坡的出逸，使局部坡面被軟化而產生局部滑動(圖1-c)。

(4)臨水坡在壩(庫)水位驟降時，內部孔隙水壓力不能馬上消散而發生大滑坡(圖1-d)。

上述(2)-(4)的破壞形式，屬于滲透力引起的流土或管涌變形問題，可以由滲透力學原理加以計算。而第(1)種，堤防(壩)的破壞主要取決于局部地質條件的變化，不能由計算確定，而是勘探、設計及施工中要注意的問題。

圖1 堤壩滲流破壞的形式Fig.1 The forms of seepage destroyed the dam

3 堤防(壩)滲流破壞的防治

土的滲透變形破壞是堤防(壩)破壞的主要原因之一。防治堤防(壩)破壞的基本思路是四個字:上堵下排。其基本措施包括:采用不透水材料或者完全阻斷土中的滲流路徑，或者增加滲透路徑，減少水力坡降;也可在滲流出逸處布置減壓、壓重或反濾層防止流土和管涌的發生。其常用措施有以下幾種:

3.1 垂直防滲

垂直防滲可用粘土、混凝土、塑性混凝土、土工膜等材料。它既可以作為壩體和堤身的防滲體，也可以作為透水地基的防滲體。最常用的是混凝土和塑性混凝土連續墻。如筆者親歷的滁州市城西水庫除險加固工程(2010年通過竣工驗收)，因壩下游測壓管水位一直偏高，嚴重威脅著大壩的安全，初次采取的加固措施是壩身高噴灌漿和壩基劈裂灌漿，但是，初次加固后，壩基揚壓力仍然偏高，后經地質勘察查明了壩基揚壓力偏高的根本原因在于壩基下存在著一層強透水的砂礫石層及細砂層(如照片1)。查清原因后，改用混凝土防滲墻截滲措施，防滲效果良好，目前下游測壓管水位已恢復正常，確保了大壩的安全使用及滁州市人民生命財產的安全[4]。還有小浪底土石壩的地基防滲和三峽二期圍堰的堰體和地基防滲都使用塑性混凝土垂直防滲墻，達到了理想的防滲效果。

照片1 滁州市城西水庫壩基砂礫石及細砂Photos 1 Photos of sand gravel and fine sand situated at the dam base of Chengxi Reservoir in Xuzhou City

根據實際需要，垂直防滲墻可完全隔斷地基的透水層，徹底解決地基土的滲透變形問題，也可不完全隔斷透水層，做成懸掛式的，起延長滲徑、降低下游逸出坡降的作用。

3.2 水平鋪蓋

上游做水平防滲鋪蓋主要目的是延長滲流途徑、降低下游逸出坡降。水平鋪蓋防滲層一般使用粘土鋪蓋，要求土料的滲透系數k＜10－5cm/s，鋪蓋厚度0.5～1.0 m，容許垂直水力坡降為4～6。也可用土工膜作水平防滲鋪蓋。

3.3 下游壓重

下游鋪設壓滲蓋重可以有效防止土粒被滲透力所懸浮，壓重一般采用透水堆石。

3.4 排水減壓井

對于雙層地基，即上層相對不透水，下層透水。為防止堤壩坡腳處上層土下部受較大的向上水力坡降而發生流土，可用透水材料作成減壓井，通過反濾層使下層中水安全排出，降低土的水力坡降。

3.5 下游排水體

為避免堤壩的背水坡滲流出逸處發生滲透變形，可采用棱柱式排水、褥墊式排水或貼坡式排水，可使滲出點降低，避免沿坡滲流引起的沖刷。例如本省的花涼亭水庫大壩即是采用的粘土心墻加下游棱柱式排水，以降低滲透水力比降的。

3.6 土層綜合加固處理

如土層凍結法、高噴灌漿法等。具體處理方法的使用可參閱有關地基處理的書籍。

4 結語

在實際工作中，若堤(防)壩出現險情，應首先依據土質類型大體判斷滲透變形的類型，然后科學搶險，總的原則是先治標，再治本，標本兼治。

[1] 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算[M].北京:中國水利水電出版社，2003.

[2] 工程地質手冊編委會.工程地質手冊[M].第四版.北京:中國建筑工業出版社，2007.

[3] 盧廷浩.土力學[M].南京:河海大學出版社，2002.

[4] 呂錦偉.滁州市城西水庫除險加固補充工程地質勘察報告[R].合肥:安徽省水利水電勘測設計院，2009.