堤坝防渗及加固技术的应用

严维

（兰州资源环境职业技术大学，甘肃兰州 730021）

0 引言

堤坝是一种相当不透水的水力结构，在其上游建立一个水库用来满足基于蓄水量要求的各种目的[1]。蓄水的目的可能包括灌溉、水力发电、供水、防洪、航行、捕鱼和娱乐。根据目的的不同，堤坝可分为单用途堤坝和多用途堤坝。历史上堤坝的倒塌一直发生在世界各地，堤坝的毁坏对人类和环境的影响具有严重的破坏性，这些问题需要同时通过采取预防措施和加固措施来解决。堤坝的溃坝现象可大致分为三类：承载水力压力受损、结构破坏和渗漏。据统计，35%的堤坝因水力破坏，20%的堤坝因结构破坏，38%的堤坝因渗漏被破坏，7%的堤坝因其他原因而毁坏[2]。渗流是堤坝破坏的最主要部分，因此，需要通过相关的调研和研究对该部分存在的问题进行防范。水力压力破坏（由于超载、海浪侵蚀、降雨侵蚀等）及结构破坏（由于边坡滑动、动物挖洞、地震等自然情况居多），这些主要是外部故障，可以通过肉眼或者外部探伤设备检测到，并能通过外部修复或加固的方式增强坝体的稳定性。相反，渗漏发生是由于缺乏监测和仪器检测坝体外部及内部结构，需要更为精细的设备对内部结构和细小的损伤进行探查。在大多数堤坝中，存在不同程度的地质缺陷，特别是在近年来的危险水库治理工程中，大多是处理地质缺陷引起的坝基渗漏[3]。

在水利工程建设中，堤坝是工程建设的重点部分，施工环节的任何质量问题都可能产生损坏。如水利工程受到水冲刷的影响而局部受损，渗漏会直接降低堤坝结构的安全性和运行效果，而坝基渗漏主要是由于技术不科学等原因造成的，由于结构材料缺乏密封性，增加了泄漏的可能性[4]。

堤坝的渗流可以采取一些控制措施来控制，渗漏问题也可以依据各个方面进行讨论。水库坝泄水会造成巨大的经济损失，而出口梯度、孔隙水压力、渗透速度和侵润线暴露则影响了水库和堤防坝的物理稳定性[5]。现有的文献已经对具体的防渗措施进行了几项研究，以证明其适用性。在不影响质量的前提下，还可以研究它们允许的尺寸、形状、位置及用更好性能的材料。

1 渗透问题与参数分析

1.1 堤坝渗漏现象

堤坝渗流和渗流控制是堤坝设计和施工十分重要的方面。堤坝中的渗流被定义为水通过地基或基建下方的路堤时，从堤坝的上游一侧流向下游一侧的情况[6]，渗流问题最常见于土堤坝，这将直接影响路堤的稳定性，由于孔隙水压升高导致的边坡脱落，并造成内部侵蚀，会进一步导致水流渗透。若未能防止堤坝渗漏会导致堤坝滑坡及坝体崩塌。

1.2 堤坝渗漏的原因

堤坝的渗漏主要取决于土壤的材质，如可塑性、坡型梯度、压实程度等。黏土的可塑性指数小于15 会导致坝体对于水流的冲击十分脆弱，材质不良的土壤通常表现出较低的防渗性。此外，不良的设计操作将导致堤坝水流的渗出，从而排放到下游一侧，造成经济损失，如图1，水流沿着浸润线渗出。

图1 堤坝故障

1.3 堤坝渗流分析

如何评估堤坝的防止渗透能力，对于灾难预防十分重要。首先需要进行堤坝渗流分析，分析堤坝线、坝内或地基内的孔隙压力值、坝下游面的出口梯度及可能通过坝横截面的渗流量。渗流分析既是用于评估各种防渗方法的有效方法，还可以为特殊的堤坝设计选择合适的防渗措施。在大多数情况下，渗流分析是通过各种分析方法（例如Dupuit方法，和共形映射法）、实验方法（如渗透罐）、数值方法（有限元分析，有限差分模型）完成的。因为数值方法易于分析，且所需时间更少，现有的渗流分析中通常用此方法，而非决定控制方法的实验。

1.3.1 流网

流网是水在土壤中运动的图形表示，用于分析上升水压和渗流量。流网由流线和等电位线组成，用拉普拉斯方程的图形表示，见图2。

图2 流网图

从图2 可以看出，浸润线（顶部抛物线）在堤坝下游斜坡处的A 点相遇。在线下方，斜率饱和，水流淌。在此情况下，可能会发生以下情况：1）高测压压力可在下游斜坡上形成，随后导致斜坡的稳定性降低；2）它会导致高渗流，然后导致内部侵蚀。为了解决这些问题，在堤坝底部引入了排水系统，减小水量的聚集。

1.3.2 浸润线

浸润线是渗透水流表面与堤坝横断面的交线[7]。其以下土体处于饱和状态，颗粒重量为有效重量，同时受渗流水的渗透力作用，故坝体内浸润线位置的高低及形状对坝体的应力、土料的抗剪强度、坝坡稳定及土料的渗透稳定性影响较大。其位置的确定是堤坝渗流分析及稳定分析的重要内容，如何有效地降低浸润线的位置也是实际工程中的研究课题。

1.4 堤坝渗漏引起的问题

堤坝中储存的水总是会朝着低压地区的，释放自身压力。因此，水流通过小孔隙、老旧的地层、缝隙块、裂缝、裂层等渗出水的可能更多。这些风险主要存在于堤坝中，考虑到所有这些因素，建议在设计阶段采用测量水流压力和渗流流量的仪器。渗漏引起的3 个基本问题如下。

1）管道堵塞。当渗水在通过堤防或地基移出时会携带土壤颗粒，此刻就会造成管道堵塞。当它连续发生时，管道或通道将在土壤团块内形成，并以更高的速率导致大量的水渗流，这可能会导致堤坝崩塌。

2）起伏和边坡不稳定。过度渗流导致地基边坡稳定性降低，有时渗流力在堤坝下游的地基土壤中形成，这将会导致起伏。

3）大量的水分流失。当土壤地层或地基透水时，就会发生这种情况。但针对管道堵塞、起伏和边坡不稳定等问题，采用稳定性管理后不会给堤坝带来渗漏问题。

2 堤坝的渗流控制措施

排水过滤器是防止渗漏的最佳方法。提供过滤器系统用于排出水，防止管道堵塞和坡型起伏。排水用于降低堤防和地基土壤内部的孔隙水压力。

堤坝采用由细粗物料分级而成的多层排水系统，以防止细小物料从路堤处渗出。堤坝常用的各种排水沟如下文所述。

2.1 岩趾

如图3 所示，在这种布置中，从15.00～20.00 cm不等的石头被放置在堤坝的下游脚趾端，按照不同材料分层，由细砂、粗砂和砾石组成，岩趾的高度通常保持在储层高度的15%～30%之间。

图3 岩趾防止堤坝渗漏

2.2 水平过滤器

如图4 所示，水平过滤器从堤坝的下游延伸到内部，从堤坝的脚趾到中心线的距离为25%～100%。在一般情况下，高度等于堤坝高度的3 倍就足够了。

图4 水平过滤器

2.3 竖井排水管

水平排水是更好地降低浸润线，并在水平方向上构建分层、布设井群、抽汲地下水，以控制地下水位的工程技术措施。水平过滤器针对发生大规模分层情况是有效的。针对大规模分层，垂直过滤器与水平过滤器一起放置，其能有效地分流渗漏水。如图5 所示的设置被称为竖井排水管。

图5 控制堤坝渗漏

2.4 防渗墙

防渗墙是一种修建在松散透水层或土石坝（堰）中起防渗作用的连续墙，由混凝土或钢板桩制成。垂直截断层延伸到不透水基础的深度，如果深度较大，则提供部分阻断（最大深度较小）。

2.5 防止堤坝渗漏的减压井

当通过透水地基浮雕井发生大规模渗漏时采用减压井，用以降低作用在堤坝下游或是坝内覆盖层中的承压水头及渗透压力，以防止发生管涌与流土、沼泽化等现象，是一种井管排渗设施，通常位于堤坝的下游端。

3 堤坝防渗透加固影响因素比较

3.1 比较标准数学模型

采用有限元法进行必要的分析。所有情况下，堤坝的尺寸被认为是相同的，并在各自的尺度中进行分析。其中坝面倾角为30.96°，上下游面垂直，比例为10∶6。对所有模型也考虑了相同的斜率。所有的分析都考虑了距坝体底部5 m 的恒定水位，并且都在基于渗流的稳定状态下进行的。由顶部的粗砂和底部的细砂组成记为C1F2，由粗砂组成底部和顶部的记为C2F1。

3.2 材料性能

文中，堤坝使用不同元素的材料被认为是饱和状态，忽略了复杂性，没有考虑不饱和条件。文中分析了2 种不同坝体元件所使用的材料，水平过滤器为粗砂和细砂，内黏土芯为黏土，其渗透率系数见表1。

表1 各种材料的渗透率系数m/s

3.3 水平过滤器

过滤器的功能是通过坝体的下游脚趾增强渗水的可控排水能力[8]。从下游坝脚向坝体延伸，距离为堤坝中心到坝脚的25%～100%。在文中，该过滤器有两层，均由具有相同厚度的细砂和粗砂组成。考虑C1F2 和C2F1 条件，进行了分析。经数值分析，发现过滤器对长度（L)、厚度（t）和组合的影响有所不同。

图6 中对渗流特性上的图层进行了研究和描述，其中C1F2 和C2F1 代表不同的设置，L 为过滤器长度，t 为过滤器厚度。图6（a）描述了水平式过滤器对孔隙水压力的影响。考虑到长度为9.00 m时，水平过滤器对两种材料组合的孔隙水压力降低的影响可以忽略不计，但当将长度增加到12.00 m时，孔隙水压力显著降低。结果表明，水平过滤器的长度是降低孔隙水压力的控制因素，而不是其厚度。

从图6（b）中可以看到，最大梯度并不依赖于材料的组合，例如粗砂放置在顶部或细砂放置在水平过滤器的顶部的情况。相反，它取决于水平过滤器的尺寸，过滤器厚度增加，最大梯度减小；然而，随着长度的增加，最大梯度增大。随着过滤器的长度和宽度的减少，水的排放也在减少，见图6（c）。而材料交替，即粗砂位于顶部或细砂位于水平过滤器顶部，对排放无影响。因此，为了减少堤坝的排水量，最好采用长宽比小的水平式过滤器。排放速度取决于过滤材料的组合，这从图6（d）中可以明显看出。与相反的组合相比，粗砂放置在顶部、细砂放置在水平过滤器的底部，其出口速度较低。如细砂位于顶部，粗砂位于水平毯过滤器底部。尺度的影响对于水平式过滤器的长度和宽度与流量的趋势相同。

图6 水平过滤器的距离和流量参数之间的关系

3.4 内黏土芯

提供内部黏土岩芯是广泛应用的防渗方法之一[9]。在这种方法中，在坝体内部提供一个比不同外壳材料渗透性低的内部黏土岩芯。对比了相同面积（24.00 m2）的不同形状岩芯的渗透性。考虑的核心形状包括矩形、梯形和平行四边形，在平行四边形中，45°平行四边形和135°平行四边形分别表示平行四边形黏土芯的角度为45°和135°。对比结果如图7 所示。内黏土芯呈平行四边形，比另一形提前遇到流动线，倾斜角为45°，但在坝底孔隙水压力未降至0。当使用矩形和梯形的内黏土芯时，孔隙水压力将降至0。所有形状的出口梯度都为0，这是有效的设置。平行四边形的梯度最大，梯形形状的梯度最小。矩形内黏土芯的流量最低，梯形和矩形的排水量之差可以忽略不计。梯形和矩形形状的出口速度完全相同，且均低于两种平行四边形。

图7 不同形状的内黏土芯与流量参数的关系

4 结语

文章从堤坝渗漏现象入手，分析了引起堤坝渗漏的原因，并列举出了针对每种渗漏现象该采用什么样的措施，通过对这些措施的优缺点及防渗性能等进行比较，最后得出：水平过滤器由顶部粗砂层和底部细砂层组成，对提高流动性能效果良好；较大的水平过滤器可以减少孔隙水压力，增加堤坝内的梯度。这一结论，在今后实际工程中，可以帮助设计者快速做出判断，快速选择出适合的堤坝防渗技术。文中只列举了目前工程项目中最常用的防渗加固技术，尚未将所有的堤坝防渗技术纳入其中，有待后续对新的防渗加固技术的进一步研究。