水利工程滲流破壞的認識及小型水庫土石壩防滲措施

摘要：據統計，我國目前各類水庫大壩中土石壩占90%以上，土石壩事故中除了洪水漫壩是主要的垮壩類型外，其次就是滲流引起的破壞了，滲流是水在土體中運動而產生的，通過浸潤、滲透，土體被水飽和、降低了抗剪強度，同時增加了動水壓力，導致土體產生不同程度的變形、崩塌、滑移。滲流破壞引起的垮壩事故不但在洪水期可以發生，在非洪水期也可以發生，即所謂的“晴天垮壩”，所以重新認識滲流破壞很有必要，在下文中，作者從水利水電規范的角度對滲流的知識作了系統回顧，并對涉及滲流的小型土石壩建設及建后防治措施作了一定的總結，以供大家參考。

關鍵詞：水庫;滲流;土石壩;防滲;措施

一、滲透破壞的形式及形成機理

土的滲透破壞有四種形式：管涌、流土、接觸沖刷和接觸流土，無論是哪種形式的破壞，都表現為集中滲流，最終發展成為流土、管涌，沖刷周邊通道不斷坍塌、擴大，管涌發展到一定程度，無法控制而最終垮壩。但對于不同土質特征，有不同的的滲透破壞形式。

1、流砂（流土）

在向上的滲透水流作用下，表層土層范圍內的土體或顆粒同時發生懸浮、移動，這就是流砂（土）。滲流方向是向上的，一般發生在地表或兩層土之間，不管是粗粒土還是粘性土均可能發生，多發生在顆粒級配均勻的飽和細粉砂和粉土中，如筑在雙層地基上的堤壩，地表層滲透系數遠小于下層無粘性土層（其K₁遠小于K₂），當地表層i>icr時就會發生地表隆起、砂粒涌出，發生流砂（土）。如上部有反濾壓重，其抗流土的能力提高大大提高。

2、管涌

在滲透水流的作用下，土中的細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動，流失的現象，這就是管涌。它是粗細顆粒間的相對運動，隨著土中孔不斷擴大，滲透速度不斷增加，較粗的顆粒也被水逐漸帶走，土體中形成貫通的滲流管道。粘性土一般不會發生管涌，管涌多發生在顆粒大小差別較大，缺少某種粒徑的砂性土中，沿滲流方向發生，不一定向上。

管涌是堤防滲流破壞的一種形式，由于汛期高水位時由于堤基下沙性透水層的存在，堤內或堤基表面粘土層承受了較大的滲透壓力，如果水壓力持續增加，滲流出逸比降超出了土的臨界比降，滲透水流將沖破粘土層，將下面的粉砂、細砂帶出，通過反濾層降低管涌的破壞。

流砂和管涌是有區別的，流砂現象一般發生在土體表面滲流逸出處，不發生在土體內部，而管涌更名可發生在滲透逸出處，也可發生在土體內部。防治原則是，降低滲流出逸坡降，減少滲流壓力，增強壩體和地基土的抗滲能力。

二、土的滲透變形判別方法

土的滲透變形分為四種：流土、管涌、接觸流土、接觸沖刷。滲透破壞的判別標準是滲透力是否大于土的抗滲強度，因土體中細料含量起著重要作用，常用細料含量Pc作為主要判別指標，根據水利水電工程相關規范，土的滲透判別主要采用有以下幾種方法：

1、根據土的細粒含量判別流土和管涌

Pc≥1/ [4（1-n）]×100% 時為流土

Pc<1/ [4（1-n）]×100% 時為管涌 其中Pc為細粒含量

2、對于不均勻系數Cu>5的不連續級配土，根據土的細粒含量采用以下方法：

Pc≥35%時為流土

25%≤Pc<35%時為過渡型

Pc<25%時為管涌，

其中：Cu為土的不均勻系數，Cu=d₆₀/d₁₀×100%，另：對于均勻的土（不均勻系數Cu≤5），一般為流土

3、根據臨界水力比降判別

①流土型：

臨界水力比降i_cr=（d_s-1）（1-n）

②管涌型或過渡型：

臨界水力比降i_cr=2.2（d_s-1）（1-n）² d₅/ d₂₀

③管涌型：

臨界水力比降i_cr=42d₃/（k/n³）^1/2

其中d_s 為土粒的相對密度，n為孔隙率（%）;d_3、d_5、d₂₀" 為小于該粒徑的含量占土總重量3%、5%、20%的顆粒粒徑。

4、接觸沖刷

對雙層結合的土不均勻系數C_u均≤10，且符合下列條件時，不會發生接觸沖刷：

D₁₀/d₁₀≤10

其中D₁₀、d₁₀代表較粗和較細土的顆粒粒徑，小于該粒徑土重占總重量的10%。

5、接觸流失

符合下列條件時將不會發生接觸流失

不均勻系數C_u≤5的土層：D₁₅/d₈₅≤5

其中D₁₅、d₈₅代表較粗和較細土的顆粒粒徑，小于該粒徑土重占總重量的15%和85%。

不均勻系數C_u≤10的土層：D₂₀/d₇₀≤7

其中D₂₀、d₇₀代表較粗和較細土的顆粒粒徑，小于該粒徑土重占總重量的20%和70%。

三、土石壩工程設計的防滲措施

土石壩防滲主要在建設設計階段，按土石壩設計相關規范，筑壩材料應采用防滲土料，對均質壩、心墻和斜墻材料的滲透系數有一定要求;選擇粘性好的防滲體填筑料，而對反濾料、過渡料及排水體料，則要求有一定的透水性。填筑施工對粘性土的壓實度及砂礫石的相對密度嚴格要求。

土石壩壩體設計時應作壩基、壩體滲流控制，降低浸潤線和水滲透壓力，改變滲流方向，防止滲流變形。壩基的滲流控制，對于砂礫石壩基可采用垂直防滲（包括混凝土防滲墻，粘土截水槽，灌漿帷幕），上游防滲鋪蓋，下游排水設備（采用水平排水墊層、反濾排水溝、排水減壓井、下游透水蓋重）三種形式;對于巖石壩基當有較大透水斷層、破碎帶、軟弱夾層時，做好接觸面的表面處理，或采用灌漿、混凝土防滲墻、鋪蓋等處理措施，在防滲體、斷層和破碎帶處設置排水反濾設施。

壩體與土質壩基和岸坡的連接，土質防滲體應在不透水的基壩上或經防滲處理的壩基上，下游壩殼堆石處與壩基應設反濾層。壩體與巖石壩基和岸坡的連接，土質防滲體和反濾層宜與堅硬、不沖蝕和可灌漿的巖石連接。

土質防滲體與壩下涵管連接處擴大防滲面，下游面與壩下涵管接觸處應做好反濾層，將涵管包起來。

四、小型水庫土石壩滲流安全隱患及處理措施

土石壩安全監測中重點監測內容為滲流監測，項目包括滲流量、壩基滲流壓力、壩體滲流壓力和繞壩滲流，通過認真細致的滲流監測發現滲流安全隱患后，應根據滲漏隱患部位、類型分析其成因與危害，綜合確定處置措施，總體來說，滲流安全隱患處置應采取“上截下排，截排結合”的原則，同時兼顧壩基、壩體和繞壩滲漏處置措施的綜合利用。

小型水庫土石壩滲流安全隱患主要包括壩基滲漏、壩體滲漏、穿壩建筑物接觸滲漏及繞壩滲漏等，出現特征及處理措施如下：

1、壩基滲漏：當出現壩基滲流量比正常時持續增加，滲流水體渾濁或細顆粒帶出，壩基土體塌陷、隆起等現象時。

處理措施。壩前防滲的處理：采取水平防滲或垂直防滲等截流措施，采取拋填粘土（袋）構筑鋪蓋、鋪設土工膜、帷幕灌漿或設置防滲墻等措施。壩后排水反濾的處理：采取排水減壓井、濾層壓蓋、排水暗管或反濾軟圍井等措施。

2、壩體滲漏：當出現上游壩坡塌陷，下游壩坡浸水量增加，有集中滲漏點，水質渾濁或有細顆粒帶出，下游壩腳反濾體失效等現象時。

處理措施：上游可采取拋填粘土構筑戧堤或鋪設土工膜，下游壩坡采取壩后設排水導滲溝或壩坡排水，反濾保護。

3、穿壩建筑物接觸滲漏：壩下（內）埋管出口與壩體接觸部位、開敞式建筑物側墻與壩體連接部位、建筑物出口與壩體接觸部位，以上三個位置當出現明顯滲流，水流呈泉狀涌出或出水渾濁;其次是出現壩下（內）埋管因不均勻沉陷斷裂或止水破壞、建筑物進、出口與壩體連接部位出現塌坑且土體濕軟等現象時。

處理措施：采取臨水堵截、下游側導滲、封閉圍堰等措施;情況嚴重時，應降低庫水位直至出口滲流不明顯。

4、繞壩滲漏：當出現壩體與岸坡結合部明顯漏水，土體表面隆起或有細顆粒帶出，出現塌坑等現象時。

處理措施：壩前采取拋填粘土（袋）構筑鋪蓋、鋪設土工膜、帷幕灌漿或設置防滲墻等措施，壩后對滲流出口采取反濾保護措施。