水库大坝渗流问题及防渗措施
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《河南水利与南水北调》2023年第7期工程建设与管理
水库大坝渗流问题及防渗措施
郝雷,庄作义
(临沂市水利工程处,山东临沂276000)
摘要:渗流一直以来是影响水库大坝安全的重要问题,主要影响因素包括地质条件差、坝基岩体不连续或是坝体填筑材料。目
前主要的处理措施包括在基础下设置灌浆帷幕、在黏土芯接触面设置反滤层、坝体下游设置排水沟、坝址处设置防渗墙等。由于
基础材料力学性能不同、水力压裂、不均匀沉降等问题,坝体易形成裂缝并进一步加剧渗流问题,形成渗流通道,故预防水库大坝
渗流的关键点就在于排水。
关键词:渗流;水库大坝;水力压裂;排水
中图分类号:TV697.3文献标识码:B文章编号:1673-8853(2023)07-0101-02
SeepageProblemsandSeepageControlMeasuresofReservoirDam
HAOLei,ZHUANGZuoyi
(LinyiWaterConservancyEngineeringOffice,Linyi276000,China)
Abstract:Seepagehasalwaysbeenanimportantproblemaffectingthesafetyofreservoirdams.Themaininfluencingfactorsincludepoorgeologicalconditions,discontinuityofdamfoundationrockmassordamfillingmaterials.Atpresent,themaintreatmentmeasures
includesettingupthegroutingcurtainunderthefoundation,settingupinvertedfilterlayeronthecontactsurfaceofclaycore,setting
updrainageditchdownstreamofthedambody,andsettingtheanti-seepagewallatthedamsite.Duetothedifferentmechanical
propertiesofbasicmaterials,hydraulicfracturing,unevensettlementandotherproblems,thedambodyispronetoformcracksand
furtheraggravatetheseepageproblem,formingseepagechannels.Therefore,thekeypointtopreventseepageofthereservoirdamis
drainage.
Keywords:seepage;reservoirdam;hydraulicfracturing;drainage
0引言
水库大坝运行期间可能会出现水力问题,从而威胁其安
全。需要认真研究和切实解决的危险问题,例如渗流问题、高
速流引起的冲刷和侵蚀、沉积物和碎屑堵塞出口设施,甚至堵
塞出口结构(如溢洪道)的闸门。通过总结水库大坝渗流问题,
预防水库大坝出现问题。1水力问题引起的水库大坝破坏统计
据水利部国外合作组织ICOLD(国际水库大坝委员会)发布
了关于水库大坝故障和事故的详细记录。这些记录显示,在20
世纪,大型水坝的建设迅速增加。从给定的统计数据可以看出,
到1950年为止,全世界只建造了约5000座水库大坝,但到20世
纪末,大型水坝的数量达到了约45000座。引进的严格的安全
规则和条例,加上设计和施工领域开发的新技术和创新,使水库
大坝失事率从1995年前的2.20%降至现在的0.50%。目前,大
多数现有水库大坝是土石坝,占世界上所有水库大坝的77%,其
中64%是填土坝,13%是堆石坝,混凝土坝和其他类型的水库大
坝构成其余32座。因此,从图1中可以观察到,水力土石坝的破
坏案例数量远远超过其他土石坝的失效案例。上述统计数据可
以分析出,与混凝土坝相比,迄今为止建造的大多数水库大坝都是土石坝。此外,与混凝土坝相比,土石坝由于其自身的特性建
筑材料和相对较弱的基础对水力问题更为敏感。
在总共136座大型水坝的破坏中,有121座是由于水力问
题造成的,这些水库大坝覆盖了广泛的使用时间、施工技术和
地基条件。表1显示了不同失效模式下的土石坝失效统计数
据。这些统计数据表明,管涌的故障是土石坝所有事故中最常
见的,所有管涌事故中有一半与穿过坝体或坝基的管道有关。
此外,通过路堤的管涌事故有近50%发生在首次填筑期间,64%发生在运行的前5年内。对于穿过地基的管涌,近25%的
故障发生在首次填筑期间,75%发生在运行的前5年内。不难
作者简介:郝雷(1987.5—),男,工程师,
主要从事水利工程施工。图1不同类别和高度水库大坝的事故次数图101
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发现,如果水库大坝施工不良或存在缺陷,第一次填筑就可能
会暴露这些缺陷。另一部分水库大坝的管涌事故可能会缓慢
发展,如岩溶地基的内部侵蚀。2土石坝渗流问题
所有的土石坝都有一定的渗漏,由于水库中的水通过坝体
及其基础寻找阻力最小的路径,可能会对水库大坝安全造成一
些危害。如果处理和控制不当,渗流可能导致水库大坝溃决。
如果允许大量渗流继续不受阻碍,则渗透力可能会侵蚀细土颗
粒,并将其冲出,导致水库大坝在内部侵蚀过程中管涌破裂,或
产生隆起问题。因此,渗流可能被视为土石坝最常见的事故,
许多土石坝的失效记录在水库大坝失效登记册中。应在设计
阶段对此类危险进行防护,如果在水库大坝寿命期内出现,则
必须仔细调查该情况,并应尽早采取必要的补救措施,以防止
其发展为破坏条件。通过坝体的渗流可能出现在下游面、坝趾
上方或下游桥台的任何位置。在这种情况下,应降低潜水面,
以将其出口点限制在坝体内。
对于不透水地基上均质坝的最简单情况,图2给出了在不
使用任何降低潜水面的措施的情况下,通过坝体的渗流情况。
在这种类型的水库大坝中,当水库水位较高且孔隙压力也
较高时,下游边坡存在坍塌和内部侵蚀的危险,从而导致破
坏。水库的快速抽水和上游边坡饱和也会发生同样的情况。
两个斜坡可能必须非常平坦,以避免此类情况,或在坡脚处添
加过滤器,或在下游的基底内铺设排水层或排水毯。最后一种
选择是在水库大坝内添加垂直排水沟,以拦截坝体内的潜水
面,然后以安全的方式从下游释放渗水。水库大坝的安全风险
随着高度和蓄水量的增加而增加,就渗流而言,目前的设计程
序要求将渗流最小化并限制其危害,而不是完全消除它。
建造大型水坝的需要导致了分区填水坝的发展,其中可以
使用不同类型的土壤材料并以防止渗漏的方式放置。首先,中
间的不透水岩芯可以是粘土,也可以是混凝土或沥青混凝土,
将作为主要的防渗措施。在岩芯的上游和下游侧,还应设计过
滤区,以防止地震、沉降或水力压裂造成的岩芯裂缝中的任何残余渗流或泄漏。因此,可以说,设计理念已经转变为控制渗
流,降低潜水表面的饱和度,并通过加入排水设施来最小化渗
流量,从而允许更陡的斜坡,从而建造更高的水坝。3混凝土坝渗流问题
渗流问题在混凝土坝的安全考虑中具有特殊重要性。它
们通常会受到各种影响,这些影响与它们的安全运行有关,例
如:基础变形、材料强度、可靠性和老化。然而,渗流除了自身
的负面作用外,渗流对混凝土坝安全的不利影响主要来自坝基
上的扬压力,而坝基渗流很容易产生扬压力。扬压力会降低水
库大坝的抗滑力,从而影响水库大坝的稳定如图3所示。此
外,混凝土坝和砌石坝可能会受到渗透水通过坝体的一种或多
种方式的影响。它可能通过水库大坝本身的裂缝渗透,从而导
致其材料浸出,并形成薄弱面。通过地基的渗流除了影响水库
大坝的滑动稳定性外,还可能导致其材料的内部侵蚀。渗流可
能造成的三种负面影响来源:①水库大坝渗透压力表现为坝基
的扬压力和坝体内部的渗透压力。两者都是由渗流引起的,对
水库大坝的稳定性、变形和应力都有一定的影响。②水库大坝
渗漏导致水将细颗粒带出坝体,形成渗流通道,危及水库大坝
的稳定。③上游蓄水不仅会渗入坝体和坝基,还会在水库大坝
两端的岸坡周围向下渗透。
4防渗措施
①采用粘土芯、隔水膜、基础灌浆帷幕等方法减少渗流
量。②采取过滤措施来防止土壤颗粒在渗透力的作用下移
动。③在大坝施工中尽量避免使用粉质粘土或粉质材料。④
使用排水方法来缓解渗透压力,如垂直排水管和排水沟,或基
础内自流条件下的减压井。⑤避免水库大坝的不均匀沉降的
情况,以防产生应力集中区导致大坝开裂。必须对施工程序进
行控制,以避免水力裂缝、拱起。大坝内部尽量避免形成渗流
通道,不在坝基处使用低密度压实填料,这些都可能产生分离
表面或渗流通道,并在水头作用下对大坝造成侵蚀。⑥混凝土
重力坝中混凝土块间的接头紧密,以防止水渗透,冻融条件下
可能会进一步扩大,破坏大坝的整体稳定性。⑦自流条件下的
基础排水可通过土坝下游的排水沟完成,用以降低扬压力。混
凝土重力坝中采用减压井来达到相同的效果,混凝土重力坝坝
身下也有排水幕,其中的渗透水收集在排水廊道中。土石坝和
混凝土坝中,设置灌浆帷幕降低水头,提升基础抵抗渗流能力。参考文献:
[1]丛双芝.某小(二)型水库大坝渗漏问题及处理措施研究[J].陕西水利,2020(4):153-154+158.收稿日期:2023-4-12编辑:
雍友玉事故原因
漫顶溢洪道/闸门小计穿过土石坝的管涌穿过地基的管涌从路堤到地基的管涌小计滑坡地震/液化未知的事故总数个案数目事故总数4616623919259728136运行故障4015553818257527124百分比/%事故总数35.9012.5048.4030.5014.801.6046.105.501.60运行故障34.2012.8047.0032.5015.401.7048.704.301.70表1土石坝事故总结表
图2
土石坝渗流示意图图3混凝土坝渗流示意图102
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