壩基滲漏問(wèn)題分析

1、與其它建筑物不同，壩的建設(shè)除要考慮地基強(qiáng)度和變形等一般性問(wèn)題以外，還要特別考慮水的滲漏問(wèn)題。當(dāng)水庫(kù)蓄水后，在壩體上下游水頭差的作用下，庫(kù)水可通過(guò)壩下和壩肩部位透水的巖土體產(chǎn)生滲漏。一般稱(chēng)壩底下的滲漏為，稱(chēng)壩肩部位的滲漏為。 壩基和繞壩滲漏的結(jié)果，首先會(huì)影響水庫(kù)的，嚴(yán)重的滲漏使水庫(kù)大部或全部喪失效益；其次是會(huì)對(duì)壩體的穩(wěn)定帶來(lái)不良影響，表現(xiàn)在揚(yáng)壓力和動(dòng)水壓力兩個(gè)方面，前者減小了重力壩的有效應(yīng)力而不利于抗滑穩(wěn)定，后者對(duì)巖土體的沖刷，產(chǎn)生壩基滲透變形，也不利于壩體穩(wěn)定。上建壩：在松散沉積層中，固體顆粒骨架（礫、卵石、砂等）顆粒之間通常存在著彼此連通的孔隙。沉積物的粒徑越大，級(jí)配越差，緊密度越低，孔隙的

2、直徑和透水性也就越大。深厚覆蓋層為典型的多層含水結(jié)構(gòu)。上建壩：由于受地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)、淺表生改造（風(fēng)化、卸荷，以及沖刷、剝離、溶蝕等）作用，在完整巖石中，將出現(xiàn)不連續(xù)體裂隙。一般說(shuō)來(lái)，巖性愈脆，構(gòu)造作用愈強(qiáng)烈，則裂隙愈多，透水性愈強(qiáng)。受張拉和剪切作用的部位(如背斜巖層及其軸部)比受擠壓作用的部位(如向斜巖層及其軸部)裂隙的寬度相對(duì)較大。某些極易風(fēng)化的砂巖和火成巖，往往具有較多、較大的裂隙。一些可溶性巖石(石灰?guī)r、白云巖、石膏和鹽巖)如再遇上較嚴(yán)重的構(gòu)造斷裂，經(jīng)常會(huì)形成巨大的落水洞、溶縫、溶洞或地下暗河。 有許多研究者，對(duì)世界上所發(fā)生的大壩失事原因進(jìn)行過(guò)分類(lèi)統(tǒng)計(jì)。 H布萊德的統(tǒng)計(jì)表明：估計(jì)這兩種情況

3、的失事都與滲流有關(guān)，因此可把它歸并為滲流原因，約占4243。；1940年以前失事的較多，以后顯著減小。這與建壩技術(shù)的發(fā)展提高有關(guān)。C卡魯斯夫統(tǒng)計(jì)：從1900年起，只有30與壩體有關(guān)。對(duì)82座混凝土壩的失事進(jìn)行了分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，由于地基滲透、排水系統(tǒng)失靈和與揚(yáng)壓力有關(guān)的共51例，占62.2；由于大壩產(chǎn)生裂縫，沿地基滑動(dòng)和由水流沖刷引起塌方、滑坡的共31例，占37.8。T.A米德?tīng)柌剪斂怂箤?duì)200座土壩的失事進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，前西德水利雜志1981年第78期上載文，對(duì)67座當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚氖略蜃髁朔治鼋y(tǒng)計(jì)，直接毀于滲流淘空的有21例，占31.3。 這類(lèi)事故在土石壩中發(fā)生的最多，是鑄成土石壩失事率遠(yuǎn)高于混凝土

4、壩的主要原因。在土石壩中容易產(chǎn)生沖刷破壞的原因可以歸結(jié)為兩點(diǎn)：在這類(lèi)壩中有較多的機(jī)會(huì)產(chǎn)生較大的滲漏；這類(lèi)壩基和壩體都十分害怕沖刷。破壞的表現(xiàn)形式是大量的。土石壩破壞的另一表現(xiàn)形式是，。造成此種破壞的原因破壞的原因，除了因在壩基內(nèi)有不利的結(jié)構(gòu)面以外，最主要的是，使?jié)B流在壩基或壩體內(nèi)形成了過(guò)高的地下水位即孔隙水壓力(在壩體內(nèi)主要表現(xiàn)為浸潤(rùn)線過(guò)高)所致。導(dǎo)致孔隙水壓力抬高的原因孔隙水壓力抬高的原因，與其說(shuō)是滲漏，不如說(shuō)是。滲透過(guò)來(lái)的水在其流動(dòng)過(guò)程中如果受到阻礙，使其不能通暢地流走或排出，即使?jié)B流量很小，它也會(huì)越積越多，以致在地基或壩體內(nèi)形成與庫(kù)水位有時(shí)相等的水壓力。在地基內(nèi)孔隙水壓力和壩體浸潤(rùn)線均較

5、高的情形下，如遇到強(qiáng)烈振動(dòng)(如地震)，就有可能造成土料液化，抗剪強(qiáng)度劇減，引起事故。過(guò)去，有許多壩是在長(zhǎng)期高水位蓄水、連續(xù)暴雨和發(fā)生地震時(shí)遭到破壞的。由此，向人們提示：，也是土石壩的滲流防護(hù)重點(diǎn)之一。上述國(guó)內(nèi)外部分滲流量較大的大壩，大都是建在上，空曠的溶洞和裂隙由于未得到堵塞而導(dǎo)致了大量漏水。然而，盡管它們的滲流量很大，降低了水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益，卻未釀成大壩的毀壞。至今還很少見(jiàn)到過(guò)哪一個(gè)大壩是因滲流量太大招致失事的實(shí)例。這說(shuō)明，基巖中的滲流量大，并不一定能對(duì)混凝土壩的穩(wěn)定造成致命性危害。 與此相反，我們卻能找到壩基滲漏量很小，卻發(fā)生失事或事故的大壩。僅舉幾個(gè)發(fā)生在近期而又著名的事例。(1)。高66

6、.5m，1954年建成，1959年12月2日失事，是目前世界上唯一失事的一座拱壩。直到最近，才對(duì)該壩的失事原因有了比較一致的認(rèn)識(shí)：“該壩的破壞，是由壩體自重壓力引起基巖壓縮，使?jié)B透性降低，從而使壩基承受了幾乎預(yù)想不到的(孔隙)水壓力造成的” 。(2) 。高88.3m，長(zhǎng)545m。1956年蓄水，1962年11月6日在右壩肩13號(hào)16號(hào)壩段拱臺(tái)上突然出現(xiàn)10條裂縫，最長(zhǎng)的達(dá)24m，寬6.5mm，沿裂縫嚴(yán)重漏水，壩座巖體發(fā)生了明顯位移。同時(shí)，一個(gè)未封填好的固結(jié)灌漿孔向外噴水，水頭高達(dá)31m。隨即采取了緊急放空水庫(kù)的措施，才避免了嚴(yán)重事故的發(fā)生。事后由該壩設(shè)計(jì)人員編寫(xiě)的梅山水庫(kù)壩基穩(wěn)定條件的分析一文

7、中說(shuō)：“由于壩的厚度不大，過(guò)去一般認(rèn)為可以不設(shè)排水。實(shí)踐證明，在梅山的特定地質(zhì)條件下，壩的揚(yáng)壓力可以達(dá)到相當(dāng)大的數(shù)值，破壞壩基，影響大壩安全。故在設(shè)計(jì)時(shí)必須重視揚(yáng)壓力的作用，設(shè)置必要的排水”。這些事例說(shuō)明，對(duì)于，。僅僅減小滲流量并不一定能防止出現(xiàn)高的孔隙水壓力?？刂扑缮⑼馏w壩區(qū)滲漏的地質(zhì)條件是多方面的，主要有：、特點(diǎn)，也與其等有關(guān)。 6凡有滲流就有滲流動(dòng)水壓力，此壓力達(dá)一定值時(shí)，土中的某些顆粒就會(huì)被滲透水流攜帶和搬運(yùn)， 這種地下水的侵蝕作用稱(chēng)為。應(yīng)包括和。前者是土石中某些可溶組分被滲透水流溶解和搬運(yùn)，這在含有可溶組分的土石中極為常見(jiàn)；后者為不溶顆粒被滲透水流帶走，也是經(jīng)常發(fā)生的。潛蝕使土石結(jié)構(gòu)

8、變松，強(qiáng)度降低，這樣一種變化可以稱(chēng)為土石的滲透變形(seepage deformation) 或滲透破壞。強(qiáng)烈的滲透變形會(huì)在滲流出口處侵蝕成孔洞，孔洞又會(huì)促使?jié)B透途徑已經(jīng)減短、水力梯度有所增大的滲流向它集中，而在孔洞末端集中的滲透水流就具有更大的侵蝕能力，所以孔洞就不斷沿最大水力梯度線溯源發(fā)展，終至形成一條水流集中的管道，由管道中涌出的水?dāng)y帶較大量的土顆粒，這就是(piping)?？梢?jiàn)，它是潛蝕強(qiáng)烈發(fā)展而出現(xiàn)的一種特有的不良地質(zhì)作用，往往形成地質(zhì)災(zāi)害。(A)管涌：是單個(gè)土顆粒在滲透作用下獨(dú)立移動(dòng)的現(xiàn)象。管涌一般發(fā)生在不均粒系數(shù)較大的砂礫層中，它既可以發(fā)生在地下水逸出段，又可能發(fā)生于土體內(nèi)部粗粒

9、骨架的孔隙中。當(dāng)壩基土體的粗粒孔隙中能被攜走的細(xì)顆粒含量較少時(shí)，并不影響壩體的穩(wěn)定。而當(dāng)壩基的細(xì)粒物質(zhì)被滲流從粗?？紫吨袛y走后，形成管道狀孔洞，土體的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度遭到破壞，造成地面塌陷時(shí)，即會(huì)危及壩體安全。黑龍江省龍鳳山水庫(kù)土壩壩基滲透變形是發(fā)展型管涌的典型實(shí)例。1960年5月底，壩前水深7.5m，下游壩腳外20m范圍內(nèi)開(kāi)始普遍出現(xiàn)小泉眼，孔徑35mm，并有淤泥顆粒跳動(dòng)。當(dāng)水深達(dá)12.3m時(shí)，涌水口增多，孔徑達(dá)15cm，翻水帶泥，滲流量達(dá)1m3/s。之后盡管降低庫(kù)水位、用砂石鎮(zhèn)壓涌水洞口，險(xiǎn)情仍在發(fā)展。最后上游找到了進(jìn)水口，并用土袋堵塞，下游涌水才基本停止。(B)流土：在壩下游坡腳滲透水流逸出處

10、，當(dāng)其動(dòng)水壓力超過(guò)土體自重時(shí)，土體表層其一部分土粒在垂直土層的滲透水流作用下全部浮動(dòng)和流走。隨著條件變化，管涌也可轉(zhuǎn)化為流土，龍鳳山水庫(kù)壩基滲透變形后階段即屬流土形式。山西省東榆林水庫(kù)副壩潰決事故，是壩基流土所造成的。副壩為均質(zhì)土壩，壩基地層為由亞砂土、粉砂土和砂質(zhì)粘土等組成的多薄層結(jié)構(gòu)。1979年2月蓄水1038.77m時(shí)副壩下游排水溝滲水增加，溝坡流泥。5月25日早晨，排水溝底部邊坡集中滲出成股泥漿，出水口直徑1015cm左右，當(dāng)晚水位1039.18m(水深4.18m)時(shí)壩體潰決，決口底寬150m。潰壩的原因是施工時(shí)從庫(kù)內(nèi)取土，破壞了滲透性較弱的表層亞砂土，而第二層透水性較強(qiáng)的粉砂土出露于

11、壩下游排水溝邊坡，致使庫(kù)水沿上游的取土槽及壩腳附近以最短滲徑向下游滲透，并將粉砂土攜出，不斷發(fā)展而形成管道狀滲流通道。在情況下，若為砂卵(礫)石層，一般地說(shuō)會(huì)發(fā)生管涌型的滲透變形，而其強(qiáng)烈程度則取決于細(xì)顆粒的含量。若粗粒骨架孔隙中細(xì)顆粒成分較多，且能被滲流不斷攜走的情況下，多發(fā)生強(qiáng)烈管涌。在情況下，是否會(huì)發(fā)生滲透變形，主要取決于的性質(zhì)、厚度和完整程度。如果，且抗剪強(qiáng)度較大，即使下層砂礫石的水力梯度較大，也不易發(fā)生滲透變形。如果，則在壩下游當(dāng)土層的某些部位自重小于滲流的動(dòng)水壓力時(shí)，粘性土層即被頂鼓，產(chǎn)生裂縫，以至沖潰、浮動(dòng)，發(fā)生流土而形成破壞區(qū)，下層的管涌或流土可相繼發(fā)生。如果下層砂礫石層由壩上

12、游向下游逐漸變厚，由于過(guò)水?dāng)嗝孀兇蠖鳒p了動(dòng)水壓力，則不利于滲透變形的發(fā)生；反之，如果砂礁石層向下游逐漸變薄，甚至尖滅，則動(dòng)水壓力逐漸增大，有利于滲透變形的發(fā)生。的自重壓力(若固結(jié)壓密程度較高的話，還應(yīng)考慮其抗剪強(qiáng)度)與動(dòng)力壓力的大小關(guān)系，是決定滲透變形能否發(fā)生的控制因素。壩基產(chǎn)生滲透變形的必要條件是和。滲透變形預(yù)測(cè)是壩基滲透穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容。壩下游坡腳處系滲透水流逸出段，滲流方向由下向上，該地段最容易發(fā)生滲透變形，所以需重點(diǎn)預(yù)測(cè)壩下游滲透上升段范圍內(nèi)的滲透變形，只要該地段實(shí)際水力梯度超過(guò)了允許后，就可能發(fā)生滲透變形。預(yù)測(cè)的步驟是：(1)判定滲透變形的形式；(2)確定壩基各點(diǎn)(主要是下游壩

13、腳處)的實(shí)際水力梯度；(3)確定臨界水力梯度；(4)確定允許水力梯度；(5)劃分出可能發(fā)生滲透變形的范圍。的確定是在查明壩基地層結(jié)構(gòu)和滲透系數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，方法較多，有理論計(jì)算、繪制流網(wǎng)、水電比擬等方法。確定的方法也較多，有計(jì)算法、圖表法和試驗(yàn)法等。對(duì)于流土，根據(jù)土的類(lèi)型及其致密程度，可選擇不同的計(jì)算公式。1 . 04)1 ()1 (crcrcrItgILctgI粘性土粘性土砂土砂土砂礫石、砂礫石、砂卵石砂卵石/、分別為土的浮容重及水的容重；tg、c為土的摩擦系數(shù)及內(nèi)聚力；L為破壞面長(zhǎng)度；為不均粒系數(shù)。管涌由于處于粗顆?？紫吨械募?xì)顆粒單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，受力條件比較復(fù)雜，同時(shí)土的顆粒組成、排列方式等也復(fù)雜多樣，因此目前還沒(méi)有理想的計(jì)算公式，一般采用圖表法和試驗(yàn)確定臨界水力梯度。滲透破壞梯度與細(xì)粒含量關(guān)系圖滲透系數(shù)與臨界水力梯度關(guān)系曲線確定時(shí)首先要確定安全系數(shù)(m)。安全系數(shù)與地基土性質(zhì)及建筑物等級(jí)有關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般對(duì)在固定水頭差作用下發(fā)生連續(xù)管涌現(xiàn)象的危險(xiǎn)性管涌土，選用安全系數(shù)23；而非危險(xiǎn)性管涌土，選用安全系數(shù)1.52.5較合適。安全系數(shù)確定后，即可獲得允許水力梯度I允：mIIcr允 允許水力梯度確定后，以實(shí)際水力梯度與之比較，若實(shí)際水力梯度大于允允許水力梯度確定后，以實(shí)際水力梯度與之比較，若實(shí)際水力梯度大于允許水力梯度的