土坝的渗流问题分析
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1 土坝的渗流问题分析
及其控制措施和监测技术
前言：渗透破坏是土石坝坝体的常见病害,设计一套可靠的渗流监测系统是保证土石坝坝体安全运行的必备措施。土石坝浸润线位置的高低是影响坝体渗透稳定和抗滑稳定的最重要的因素之一。对于土石坝渗透水溢出点的渗透坡降较陡时,坝坡就会发生流土、管涌,甚至滑坡、垮坝。科学地对土石坝进行渗透监测,为水库安全运行、坝体安全稳定提供科学依据。
摘要: 土坝破坏来源于水和其它外力的侵袭以及土体强度的不足,其中渗流产生的坝体破坏占有较大比例,且造成的后果极为严重。通过土石坝产生渗流破坏的现象分析,掌握其发展规律,利用地质勘探合理确定的边界条件,有针对性地选择土石坝的渗流控制设计方案。
关键词:土坝渗流破坏 基本内容 控制措施 渗流问题的重要性 防渗加固 渗透破坏
渗流监测 渗流监测布设技术
在水利工程中,地表水的冲刷破坏常会引人注意,也比较容易发现和挽救，而地下水的冲刷目不能见,常被忽视,有时问题一经发现,会立即导致工程的破坏,难以补救。因此，一般水利工程受地下水渗流冲刷破坏者常比地表水冲刷破坏者为多,而堤坝渗流的问题更为严重。据米德布鲁克斯调查统计美国206座破坏的土坝中,由于渗漏管涌破坏者占39%,由于漫顶破坏者占27%,由于滑动及沉陷裂缝者占18%,由于反滤料流失、块石护坡下没有滤层、坝端处理不好、波浪和地震等原因破坏者占17%,由此可见渗流破坏作用的严重性。我国在20世纪90年代初的统计资料,全国存在渗漏问题比较严重的大型水库有132座,遍及各省,其中土石坝渗漏的就有106座,约占80%。
1.土坝的渗流破坏
土石坝破坏来源于水和其它外力的侵袭以及土体强度的不足。原因不同,发生的现象也有不同，除去坝端三向浇渗破坏和漫顶溢流垮坝者外,从土坝剖面上看，问题主要如图1：
图1所示几种状况,并且分别说明如下:
①图a是砂层地基的承压水顶穿表层弱透水粉质壤土或淤泥的薄弱环节,发生局部集中渗流形成流土泉涌现象,并继而向地基的上游发展成连通的管道。此时如果大管涌道失去拱的作用,堤坝即裂缝下沉而破坏,严重者还会在临水侧坝脚附近引起水流旋涡。对于土坝上游黏土铺盖的裂缝失效以及河堤临水侧的河水淘刷等不利因素,均能加速破坏。
②图b是背水坡脚大面积发生小泉涌的砂土沸现象,使坡脚软化或受浮力后失去支承力而引起大滑坡,如图1所示的大圆弧所示。发生砂沸软化的来水可能是砂基的承压水,也可能是沿弱透水覆盖层上面较透水薄层粉土渗过来的表层水。
③图c是由于堤坝本身或地基的渗流,外部出口处的管涌开始逐渐将细粒带走,直至坡面破坏。如图所示,浸润线出渗点处的土粒首先被冲蚀沿坡面向下移动堆积于坡脚,逐渐在坡面形成局部凹陷和小沟;或者沿坝底接触面、坝体内的较透水薄层以及沿输水管外壁接触面形成集中渗流通道造成冲蚀破坏。
④图d是由于库水位骤降时孔隙水压力而发生滑坡,多在下降水位的附近坍滑。如果临2 水侧受河水淘刷,就更容易造成滑坡。
图1土坝坝坡破坏示意图
2.渗流分析方法
土石坝的渗流是一个比较复杂的空间问题,但在工程设计中常将其简化为平面问题处理。土石坝渗流计算方法主要有解析法、手绘流网法、实验法和数值法等。解析法分流体力学法和水力学法,前者立论严谨,但只能用于某些边界条件较为简单的情况。水力学法计算简易,精度可满足工程要求,得到了广泛的应用。手绘法是一种简单易行的方法,能够求渗流场内任一点渗流要素,并具有一定的精度,但在渗流场内具有不同土质,且其渗透系数差别较大的情况下较难应用。遇到复杂地基或多种土质坝,可用电模拟实验法,它能解决三向问题,但需一定设备,且费时较长。近年来数值法在土石坝渗流分析中得到了广泛应用。此种方法可以计算不稳定渗流和较复杂的渗流问题。
3.渗流控制基本内容
渗流问题的外观主要是建筑物及其地基与侧岸的破坏和漏水,重点是土的渗透破坏或渗透变形,而引起破坏的内在因素则是渗流水的作用。因此需要通过试验计算或探测来查明渗流场的分布,或者结合不同建筑物类型和发生渗流问题的部位,着重探明下列的水力因素:
3.1渗流水头线
对于坝基的有压渗流,需要知道建筑物地下轮廓线的水头分布或浮托力,以便核算土坝的稳定性;确定下游出口处截墙或板桩下端的水头,核算出口处该深度地基土是否有发
生局部流土的危险。对于土坝岸堤无压渗流,则应知道浸润线位置和坝体内的渗流压力分布,以便核算坝坡的稳定;利用土坝下游排水设备降低浸润线使其离开下游坝坡有足够的距离,防止冰冻;确定坝基防渗铺盖和斜墙或心墙的沿程水头损失,用以核算设计适宜的长度和厚度。为了防止水库下游和堤防背水坡土地的盐碱化,还应核算下游农田地下水位升高的位置。
3.2渗流坡降
由上述的水头分布,很容易得出渗流坡降或流速以及渗透力,首先应该考虑最大渗流坡降,检验是否会发生内部管涌影响地基的稳定;对于粗细粒两层土交界面以及和闸坝基底接触面上,为避免接触渗流冲刷或细粒的流失,还应知道接触面的渗流坡降或流速;自然,穿过黏土防渗铺盖或斜墙、心墙、截墙等构件的渗流坡降也应求出,以便核算这些构件的抗渗强度是否满足。有时还得确定坝体内的渗透力,以便核算坝坡稳定性。
3.3渗流量
计算下游排水设备的渗流量,作为核算排水设施尺寸的参考。有时需要知道穿过透水地基和坝的渗流量以便估计水库的漏水损失或施工基坑排水设备容量。控制渗流量,使漏水量最小;但在最大经济效益的原则下,也允许增大渗流量。 3 4.防渗加固措施
渗流控制方案的选择,依赖于工程地质和水文地质条件,针对不同地质条件采用相对的控制措施。透水层不深小于10~15m时,宜采用垂直防渗。透水层很深大于10~15m时,当漏水量不重要可以用水平防渗。较深的强透水砂砾石地基,而且防止水库漏水要求较高时,可在坝基进行灌浆防渗或垂直防渗墙;如果灌浆帷幕抗渗强度或防漏程度不够,也可采用与上游铺盖相结合的防渗措施。双层地基应尽量利用和整修上游的天然覆盖层,如果深河槽局部覆盖层已被冲刷,尚应以人工铺盖填补足够长度。下粗上细的冲积层,在透水性显著加大时,下游排水设备也宜设置竖井,竖井通至强透水的下层。土石坝防渗加固措施一般分为垂直防渗与水平防渗两大类措施。垂直防渗是加固工程中十分常见的防渗处理措施。对于透水地基,垂直防渗与水平防渗措施相比,截流效果更显著。下面重点介绍几种常用的垂直防渗措施。
4.1 混凝土防渗墙
混凝土防渗墙是利用专门的造槽机械设备营造槽孔,用导管在槽孔中浇筑混凝土,形成一道连续的防渗墙体。混凝土防渗墙墙体材料有普通混凝土、粘土混凝土和塑性混凝土等。成槽方法有多种,常用的有钻劈法、钻抓法及铣削法等。
混凝土防渗墙施工工艺属置换式防渗墙,即先造槽,再浇筑混凝土,墙体性能好,质量可靠;地层适用性广,无论是砂土、砂壤土、砂砾石层和砂卵石层均可以造槽成墙。但施工速度较慢,造价较高,废浆液排放量大,易造成环境污染。
4.2 薄壁混凝土防渗墙
4.2.1射水法薄壁防渗墙
射水法是利用水泵及成型射流的冲击力破坏土层结构,水土混合回流溢出地面,同时利用卷扬机操纵特制的成型器具不断上下冲动,进一步破坏土层,切割修整孔壁,形成有规则的槽孔,随后浇筑混凝土或塑性混凝土,或灌注各种柔性砂浆、铺设防渗土工膜,形成一个完整的防渗墙。适用于砂性土、淤泥质土、粘性土、粉土,并能穿过砂卵石层,成墙深度可达30m。成墙宽度22~45cm。由于该工法简单,设备搬运灵活,地层适应性广,施工成本在射水、液压抓斗和拉槽3种工法中最低,一次性投资较小,因而,在防渗墙施工中得到广泛应用。
4.2.2 薄型液压抓斗薄壁防渗墙
薄型液压抓斗防渗墙采用分序抓取法,抓取时采用泥浆固壁,浇筑采用泥浆下直升导管法。液压抓斗适用于软土、砂砾土和强风化岩地层,满斗率较高,效率高,其运行费用低,配有测斜纠偏装置,能够保证槽孔的垂直度符合规范要求,成墙质量有保证,但一次性投入较大,施工成本较高。
4.2.3 拉槽法防渗墙
拉槽法是采用拉槽机进行连续拉槽造孔,分段隔离浇筑成墙的一种施工方法。拉槽法适用于淤泥质土、砂性土、松散的粘性土以及
直径<10cm的砂卵石层中成墙,最大成墙深度达25m。拉槽法防渗材料水下浇筑可采用3~4管浇筑,一次浇筑槽段长度可达12m以上。成墙墙体连续性好,施工工效高。
4.3 深层搅拌连续墙
深层搅拌连续墙是通过深层搅拌机将水泥浆喷入坝体并搅拌均匀,经过一系列水化离子交换与硬化等反应,形成多桩搭接且有一定强度和抗渗能力的防渗墙。深层搅拌桩机有单头和多头之分,多头小直径桩机工效较高,一次成墙长度较长,而且一次成墙的桩之间不会出现底部分叉现象,提高了墙体的连续性和完整性。深层搅拌法水泥土防渗墙主要适用于在砂类土、淤泥质土以及承载力,150kPa的粘性土和粉土,成墙深度<20m。成墙质量可靠,如墙厚、墙段连接、墙体均匀性及各项性能指标均能满足设计要求，工效高、工期短，利用原土注入水泥可就地搅拌,施工造价较低,对环境污染轻。
4.4 高压喷射灌浆防渗墙
高压喷射灌浆就是利用钻机造孔,然后把带有喷头的灌浆管下至土层的预定位置,用4 高压设备把压力为20~30MPa左右的高压射流从喷嘴中喷射出来,用该射流冲击和破坏地层土体,并与灌入浆液掺混,在土体中形成固结体。喷浆方法有为定喷、摆喷和旋喷。高压喷射灌浆防渗适用于软弱土层砂类土以及砂卵石地层。施工质量可靠,浆液的浓度、凝结体的强度及渗透性等可根据地层特点,加以控制和调整;可灌性好,其可灌性和影响范围超过了一般的注浆效果;施工简便,施工时只需钻小孔(如孔径110mm),即可获得较大的凝结体和较厚的板墙。
4.5 垂直铺塑防渗
垂直铺塑防渗是利用开槽铺塑机,在坝体或坝基内开出一定深度的连续沟槽,并同步在沟槽内铺设塑膜和填以设计要求的回填料。经过填料的析水固结后,形成以塑膜为主要幕体材料的复合防渗帷幕。具有无接缝、整体连续性好、防渗效果显著、适应变形能力强等优点。
4.6 冲抓套井防渗
冲抓套井回填粘土防渗墙是利用冲抓式打井机具,主要在土坝或堤防渗漏范围造井,用粘性土料分层回填夯实,形成一连续的套接粘土防渗墙,截断渗流通道,同时在夯锤夯击回填粘土时,对井壁的土层产生挤压,使其周围土体密实,以提高坝体质量,从而起到防渗和加固的目的。主要机械设备为冲抓机,配有抓瓣式钻头和马蹄式夯锤。
冲抓套井防渗施工机械设备简单,对施工场地无特殊要求;防渗效果好,套孔回填的粘土经过夯实后,干密度增大,渗透系数减小;可就地取材,充分利用当地的粘性土料,工程成本低;当工期紧时,增加机械设备,多开工作面,可以大大缩短工期;对于坝体局部漏水和坝坡湿润处理迅速,可以收到立竿见影的效果。
4.7 振动沉模防渗
振动防渗墙技术是利用强力振动原理将空腹模板沉入土中,向空腹内注满浆液,边振动边拔模,浆液留于槽孔中形成单块板墙,将单板连接起来,即形成连续的防渗墙帷幕。主要适用于松散的软基地层,从粘性土到层厚较薄的砂卵石层，处理深度20m。墙体质量好,搭接可靠,防渗性能良好;施工效率较高,工效为400~800m2/d;所需的材料属一般性材料,造价较低。
4.8 各类灌浆施工方法
(1)水泥帷幕灌浆。水泥帷幕灌浆是用水泥浆液灌入岩体或土层的裂隙、孔隙,形成阻水幕,以减小渗流量或降低扬压力的灌浆。水泥帷幕灌浆通过对坝基钻孔、裂隙冲洗、压水和灌浆,可以了解基岩的透水性能,提高灌浆效果,进行有效的防渗处理;机械设备简便,施工技术成熟,容易取得理想的防渗效果。
