嚴(yán)維

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅蘭州 730021）

0 引言

堤壩是一種相當(dāng)不透水的水力結(jié)構(gòu)，在其上游建立一個水庫用來滿足基于蓄水量要求的各種目的[1]。蓄水的目的可能包括灌溉、水力發(fā)電、供水、防洪、航行、捕魚和娛樂。根據(jù)目的的不同，堤壩可分為單用途堤壩和多用途堤壩。歷史上堤壩的倒塌一直發(fā)生在世界各地，堤壩的毀壞對人類和環(huán)境的影響具有嚴(yán)重的破壞性，這些問題需要同時通過采取預(yù)防措施和加固措施來解決。堤壩的潰壩現(xiàn)象可大致分為三類：承載水力壓力受損、結(jié)構(gòu)破壞和滲漏。據(jù)統(tǒng)計，35%的堤壩因水力破壞，20%的堤壩因結(jié)構(gòu)破壞，38%的堤壩因滲漏被破壞，7%的堤壩因其他原因而毀壞[2]。滲流是堤壩破壞的最主要部分，因此，需要通過相關(guān)的調(diào)研和研究對該部分存在的問題進行防范。水力壓力破壞（由于超載、海浪侵蝕、降雨侵蝕等）及結(jié)構(gòu)破壞（由于邊坡滑動、動物挖洞、地震等自然情況居多），這些主要是外部故障，可以通過肉眼或者外部探傷設(shè)備檢測到，并能通過外部修復(fù)或加固的方式增強壩體的穩(wěn)定性。相反，滲漏發(fā)生是由于缺乏監(jiān)測和儀器檢測壩體外部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，需要更為精細的設(shè)備對內(nèi)部結(jié)構(gòu)和細小的損傷進行探查。在大多數(shù)堤壩中，存在不同程度的地質(zhì)缺陷，特別是在近年來的危險水庫治理工程中，大多是處理地質(zhì)缺陷引起的壩基滲漏[3]。

在水利工程建設(shè)中，堤壩是工程建設(shè)的重點部分，施工環(huán)節(jié)的任何質(zhì)量問題都可能產(chǎn)生損壞。如水利工程受到水沖刷的影響而局部受損，滲漏會直接降低堤壩結(jié)構(gòu)的安全性和運行效果，而壩基滲漏主要是由于技術(shù)不科學(xué)等原因造成的，由于結(jié)構(gòu)材料缺乏密封性，增加了泄漏的可能性[4]。

堤壩的滲流可以采取一些控制措施來控制，滲漏問題也可以依據(jù)各個方面進行討論。水庫壩泄水會造成巨大的經(jīng)濟損失，而出口梯度、孔隙水壓力、滲透速度和侵潤線暴露則影響了水庫和堤防壩的物理穩(wěn)定性[5]。現(xiàn)有的文獻已經(jīng)對具體的防滲措施進行了幾項研究，以證明其適用性。在不影響質(zhì)量的前提下，還可以研究它們允許的尺寸、形狀、位置及用更好性能的材料。

1 滲透問題與參數(shù)分析

1.1 堤壩滲漏現(xiàn)象

堤壩滲流和滲流控制是堤壩設(shè)計和施工十分重要的方面。堤壩中的滲流被定義為水通過地基或基建下方的路堤時，從堤壩的上游一側(cè)流向下游一側(cè)的情況[6]，滲流問題最常見于土堤壩，這將直接影響路堤的穩(wěn)定性，由于孔隙水壓升高導(dǎo)致的邊坡脫落，并造成內(nèi)部侵蝕，會進一步導(dǎo)致水流滲透。若未能防止堤壩滲漏會導(dǎo)致堤壩滑坡及壩體崩塌。

1.2 堤壩滲漏的原因

堤壩的滲漏主要取決于土壤的材質(zhì)，如可塑性、坡型梯度、壓實程度等。黏土的可塑性指數(shù)小于15 會導(dǎo)致壩體對于水流的沖擊十分脆弱，材質(zhì)不良的土壤通常表現(xiàn)出較低的防滲性。此外，不良的設(shè)計操作將導(dǎo)致堤壩水流的滲出，從而排放到下游一側(cè)，造成經(jīng)濟損失，如圖1，水流沿著浸潤線滲出。

圖1 堤壩故障

1.3 堤壩滲流分析

如何評估堤壩的防止?jié)B透能力，對于災(zāi)難預(yù)防十分重要。首先需要進行堤壩滲流分析，分析堤壩線、壩內(nèi)或地基內(nèi)的孔隙壓力值、壩下游面的出口梯度及可能通過壩橫截面的滲流量。滲流分析既是用于評估各種防滲方法的有效方法，還可以為特殊的堤壩設(shè)計選擇合適的防滲措施。在大多數(shù)情況下，滲流分析是通過各種分析方法（例如Dupuit方法，和共形映射法）、實驗方法（如滲透罐）、數(shù)值方法（有限元分析，有限差分模型）完成的。因為數(shù)值方法易于分析，且所需時間更少，現(xiàn)有的滲流分析中通常用此方法，而非決定控制方法的實驗。

1.3.1 流網(wǎng)

流網(wǎng)是水在土壤中運動的圖形表示，用于分析上升水壓和滲流量。流網(wǎng)由流線和等電位線組成，用拉普拉斯方程的圖形表示，見圖2。

圖2 流網(wǎng)圖

從圖2 可以看出，浸潤線（頂部拋物線）在堤壩下游斜坡處的A 點相遇。在線下方，斜率飽和，水流淌。在此情況下，可能會發(fā)生以下情況：1）高測壓壓力可在下游斜坡上形成，隨后導(dǎo)致斜坡的穩(wěn)定性降低；2）它會導(dǎo)致高滲流，然后導(dǎo)致內(nèi)部侵蝕。為了解決這些問題，在堤壩底部引入了排水系統(tǒng)，減小水量的聚集。

1.3.2 浸潤線

浸潤線是滲透水流表面與堤壩橫斷面的交線[7]。其以下土體處于飽和狀態(tài)，顆粒重量為有效重量，同時受滲流水的滲透力作用，故壩體內(nèi)浸潤線位置的高低及形狀對壩體的應(yīng)力、土料的抗剪強度、壩坡穩(wěn)定及土料的滲透穩(wěn)定性影響較大。其位置的確定是堤壩滲流分析及穩(wěn)定分析的重要內(nèi)容，如何有效地降低浸潤線的位置也是實際工程中的研究課題。

1.4 堤壩滲漏引起的問題

堤壩中儲存的水總是會朝著低壓地區(qū)的，釋放自身壓力。因此，水流通過小孔隙、老舊的地層、縫隙塊、裂縫、裂層等滲出水的可能更多。這些風(fēng)險主要存在于堤壩中，考慮到所有這些因素，建議在設(shè)計階段采用測量水流壓力和滲流流量的儀器。滲漏引起的3 個基本問題如下。

1）管道堵塞。當(dāng)滲水在通過堤防或地基移出時會攜帶土壤顆粒，此刻就會造成管道堵塞。當(dāng)它連續(xù)發(fā)生時，管道或通道將在土壤團塊內(nèi)形成，并以更高的速率導(dǎo)致大量的水滲流，這可能會導(dǎo)致堤壩崩塌。

2）起伏和邊坡不穩(wěn)定。過度滲流導(dǎo)致地基邊坡穩(wěn)定性降低，有時滲流力在堤壩下游的地基土壤中形成，這將會導(dǎo)致起伏。

3）大量的水分流失。當(dāng)土壤地層或地基透水時，就會發(fā)生這種情況。但針對管道堵塞、起伏和邊坡不穩(wěn)定等問題，采用穩(wěn)定性管理后不會給堤壩帶來滲漏問題。

2 堤壩的滲流控制措施

排水過濾器是防止?jié)B漏的最佳方法。提供過濾器系統(tǒng)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內(nèi)部的孔隙水壓力。

堤壩采用由細粗物料分級而成的多層排水系統(tǒng)，以防止細小物料從路堤處滲出。堤壩常用的各種排水溝如下文所述。

2.1 巖趾

如圖3 所示，在這種布置中，從15.00～20.00 cm不等的石頭被放置在堤壩的下游腳趾端，按照不同材料分層，由細砂、粗砂和礫石組成，巖趾的高度通常保持在儲層高度的15%～30%之間。

圖3 巖趾防止堤壩滲漏

2.2 水平過濾器

如圖4 所示，水平過濾器從堤壩的下游延伸到內(nèi)部，從堤壩的腳趾到中心線的距離為25%～100%。在一般情況下，高度等于堤壩高度的3 倍就足夠了。

圖4 水平過濾器

2.3 豎井排水管

水平排水是更好地降低浸潤線，并在水平方向上構(gòu)建分層、布設(shè)井群、抽汲地下水，以控制地下水位的工程技術(shù)措施。水平過濾器針對發(fā)生大規(guī)模分層情況是有效的。針對大規(guī)模分層，垂直過濾器與水平過濾器一起放置，其能有效地分流滲漏水。如圖5 所示的設(shè)置被稱為豎井排水管。

圖5 控制堤壩滲漏

2.4 防滲墻

防滲墻是一種修建在松散透水層或土石壩（堰）中起防滲作用的連續(xù)墻，由混凝土或鋼板樁制成。垂直截斷層延伸到不透水基礎(chǔ)的深度，如果深度較大，則提供部分阻斷（最大深度較?。?。

2.5 防止堤壩滲漏的減壓井

當(dāng)通過透水地基浮雕井發(fā)生大規(guī)模滲漏時采用減壓井，用以降低作用在堤壩下游或是壩內(nèi)覆蓋層中的承壓水頭及滲透壓力，以防止發(fā)生管涌與流土、沼澤化等現(xiàn)象，是一種井管排滲設(shè)施，通常位于堤壩的下游端。

3 堤壩防滲透加固影響因素比較

3.1 比較標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型

采用有限元法進行必要的分析。所有情況下，堤壩的尺寸被認(rèn)為是相同的，并在各自的尺度中進行分析。其中壩面傾角為30.96°，上下游面垂直，比例為10∶6。對所有模型也考慮了相同的斜率。所有的分析都考慮了距壩體底部5 m 的恒定水位，并且都在基于滲流的穩(wěn)定狀態(tài)下進行的。由頂部的粗砂和底部的細砂組成記為C1F2，由粗砂組成底部和頂部的記為C2F1。

3.2 材料性能

文中，堤壩使用不同元素的材料被認(rèn)為是飽和狀態(tài)，忽略了復(fù)雜性，沒有考慮不飽和條件。文中分析了2 種不同壩體元件所使用的材料，水平過濾器為粗砂和細砂，內(nèi)黏土芯為黏土，其滲透率系數(shù)見表1。

表1 各種材料的滲透率系數(shù)m/s

3.3 水平過濾器

過濾器的功能是通過壩體的下游腳趾增強滲水的可控排水能力[8]。從下游壩腳向壩體延伸，距離為堤壩中心到壩腳的25%～100%。在文中，該過濾器有兩層，均由具有相同厚度的細砂和粗砂組成。考慮C1F2 和C2F1 條件，進行了分析。經(jīng)數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)過濾器對長度（L)、厚度（t）和組合的影響有所不同。

圖6 中對滲流特性上的圖層進行了研究和描述，其中C1F2 和C2F1 代表不同的設(shè)置，L 為過濾器長度，t 為過濾器厚度。圖6（a）描述了水平式過濾器對孔隙水壓力的影響。考慮到長度為9.00 m時，水平過濾器對兩種材料組合的孔隙水壓力降低的影響可以忽略不計，但當(dāng)將長度增加到12.00 m時，孔隙水壓力顯著降低。結(jié)果表明，水平過濾器的長度是降低孔隙水壓力的控制因素，而不是其厚度。

從圖6（b）中可以看到，最大梯度并不依賴于材料的組合，例如粗砂放置在頂部或細砂放置在水平過濾器的頂部的情況。相反，它取決于水平過濾器的尺寸，過濾器厚度增加，最大梯度減??；然而，隨著長度的增加，最大梯度增大。隨著過濾器的長度和寬度的減少，水的排放也在減少，見圖6（c）。而材料交替，即粗砂位于頂部或細砂位于水平過濾器頂部，對排放無影響。因此，為了減少堤壩的排水量，最好采用長寬比小的水平式過濾器。排放速度取決于過濾材料的組合，這從圖6（d）中可以明顯看出。與相反的組合相比，粗砂放置在頂部、細砂放置在水平過濾器的底部，其出口速度較低。如細砂位于頂部，粗砂位于水平毯過濾器底部。尺度的影響對于水平式過濾器的長度和寬度與流量的趨勢相同。

圖6 水平過濾器的距離和流量參數(shù)之間的關(guān)系

3.4 內(nèi)黏土芯

提供內(nèi)部黏土巖芯是廣泛應(yīng)用的防滲方法之一[9]。在這種方法中，在壩體內(nèi)部提供一個比不同外殼材料滲透性低的內(nèi)部黏土巖芯。對比了相同面積（24.00 m2）的不同形狀巖芯的滲透性?？紤]的核心形狀包括矩形、梯形和平行四邊形，在平行四邊形中，45°平行四邊形和135°平行四邊形分別表示平行四邊形黏土芯的角度為45°和135°。對比結(jié)果如圖7 所示。內(nèi)黏土芯呈平行四邊形，比另一形提前遇到流動線，傾斜角為45°，但在壩底孔隙水壓力未降至0。當(dāng)使用矩形和梯形的內(nèi)黏土芯時，孔隙水壓力將降至0。所有形狀的出口梯度都為0，這是有效的設(shè)置。平行四邊形的梯度最大，梯形形狀的梯度最小。矩形內(nèi)黏土芯的流量最低，梯形和矩形的排水量之差可以忽略不計。梯形和矩形形狀的出口速度完全相同，且均低于兩種平行四邊形。

圖7 不同形狀的內(nèi)黏土芯與流量參數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)語

文章從堤壩滲漏現(xiàn)象入手，分析了引起堤壩滲漏的原因，并列舉出了針對每種滲漏現(xiàn)象該采用什么樣的措施，通過對這些措施的優(yōu)缺點及防滲性能等進行比較，最后得出：水平過濾器由頂部粗砂層和底部細砂層組成，對提高流動性能效果良好；較大的水平過濾器可以減少孔隙水壓力，增加堤壩內(nèi)的梯度。這一結(jié)論，在今后實際工程中，可以幫助設(shè)計者快速做出判斷，快速選擇出適合的堤壩防滲技術(shù)。文中只列舉了目前工程項目中最常用的防滲加固技術(shù)，尚未將所有的堤壩防滲技術(shù)納入其中，有待后續(xù)對新的防滲加固技術(shù)的進一步研究。