壩基滲漏問題分析

6.壩基滲漏問題分析6.1概述6.2松散土體壩區(qū)及壩基滲漏穩(wěn)定問題6.3裂隙巖體壩區(qū)及壩基揚(yáng)壓力問題6.4壩體滲漏數(shù)值模擬分析6.1概述與其它建筑物不同，壩的建設(shè)除要考慮地基強(qiáng)度和變形等一般性問題以外，還要特別考慮水的滲漏問題。當(dāng)水庫蓄水后，在壩體上下游水頭差的作用下，庫水可通過壩下和壩肩部位透水的巖土體產(chǎn)生滲漏。一般稱壩底下的滲漏為壩基滲漏，稱壩肩部位的滲漏為繞壩滲漏。壩基和繞壩滲漏的結(jié)果，首先會影響水庫的蓄水效益，嚴(yán)重的滲漏使水庫大部或全部喪失效益；其次是滲流產(chǎn)生的壓力會對壩體的穩(wěn)定帶來不良影響，表現(xiàn)在揚(yáng)壓力和動水壓力兩個方面，前者減小了重力壩的有效應(yīng)力而不利于抗滑穩(wěn)定，后者對巖土體的沖刷，產(chǎn)生壩基滲透變形，也不利于壩體穩(wěn)定。潛在的滲漏通道深厚覆蓋層上建壩：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，級配越差，緊密度越低，孔隙的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)。巖基上建壩：由于受地質(zhì)構(gòu)造活動、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。一般說來，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)常會形成巨大的落水洞、溶縫、溶洞或地下暗河。以往大壩失事的經(jīng)驗教訓(xùn)

有許多研究者，對世界上所發(fā)生的大壩失事原因進(jìn)行過分類統(tǒng)計。

H·布萊德的統(tǒng)計表明：由壩基原因造成的失事占33％，另有壩坡滑動造成的失事占9％～10％。估計這兩種情況的失事都與滲流有關(guān)，因此可把它歸并為滲流原因，約占42％～43％。土壩失事率比混凝土壩高得多；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)?；炷翂瓮翂蜟·卡魯斯夫統(tǒng)計：從1900年起，混凝土壩失事的原因有70％與壩基有關(guān)，只有30％與壩體有關(guān)。對82座混凝土壩的失事進(jìn)行了分類統(tǒng)計，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，沿地基滑動和由水流沖刷引起塌方、滑坡的共31例，占37.8％。T.A米德爾布魯克斯對200座土壩的失事進(jìn)行分類統(tǒng)計，由地基滲流造成的破壞占25％，另有滑動破壞占15％。前西德《水利》雜志1981年第7～8期上載文，對67座當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚氖略蜃髁朔治鼋y(tǒng)計，直接毀于滲流淘空的有21例，占31.3％。從以上專家所作的分類統(tǒng)計可以看出，由滲流問題造成壩的破壞占有相當(dāng)大的比例，至少占失事壩的40％以上。

土石壩滲流破壞的主要形式(1)因滲流量大造成的沖刷破壞——管涌這類事故在土石壩中發(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)：①在這類壩中有較多的機(jī)會產(chǎn)生較大的滲漏；②這類壩基和壩體都十分害怕沖刷。破壞的表現(xiàn)形式是大量的滲漏、沖刷或管涌。（2）孔隙水壓力高造成的破壞——滑動土石壩破壞的另一表現(xiàn)形式是大塊壩體、岸坡或壩基的坍塌或滑移，然后才有大量漏水。造成此種破壞的原因，除了因在壩基內(nèi)有不利的結(jié)構(gòu)面以外，最主要的是防滲結(jié)構(gòu)布置不合理，使?jié)B流在壩基或壩體內(nèi)形成了過高的地下水位即孔隙水壓力(在壩體內(nèi)主要表現(xiàn)為浸潤線過高)所致。導(dǎo)致孔隙水壓力抬高的原因，與其說是滲漏，不如說是排水不良。滲透過來的水在其流動過程中如果受到阻礙，使其不能通暢地流走或排出，即使?jié)B流量很小，它也會越積越多，以致在地基或壩體內(nèi)形成與庫水位有時相等的水壓力。在地基內(nèi)孔隙水壓力和壩體浸潤線均較高的情形下，如遇到強(qiáng)烈振動(如地震)，就有可能造成土料液化，抗剪強(qiáng)度劇減，引起事故。過去，有許多壩是在長期高水位蓄水、連續(xù)暴雨和發(fā)生地震時遭到破壞的。由此，向人們提示：防止壩基和壩體內(nèi)的孔隙水壓力過分升高，也是土石壩的滲流防護(hù)重點(diǎn)之一。巖基混凝土壩滲流破壞的主要形式上述國內(nèi)外部分滲流量較大的大壩，大都是建在巖溶發(fā)育的可溶性巖基上，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，降低了水庫的經(jīng)濟(jì)效益，卻未釀成大壩的毀壞。至今還很少見到過哪一個大壩是因滲流量太大招致失事的實(shí)例。這說明，基巖中的滲流量大，并不一定能對混凝土壩的穩(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。僅舉幾個發(fā)生在近期而又著名的事例。(1)法國的馬爾帕塞(Malpasset)拱壩。高66.5m，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，才對該壩的失事原因有了比較一致的認(rèn)識：“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)梅山連拱壩。高88.3m，長545m。1956年蓄水，1962年11月6日在右壩肩13號～16號壩段拱臺上突然出現(xiàn)10條裂縫，最長的達(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，一個未封填好的固結(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的措施，才避免了嚴(yán)重事故的發(fā)生。事后由該壩設(shè)計人員編寫的《梅山水庫壩基穩(wěn)定條件的分析》一文中說：“由于壩的厚度不大，過去一般認(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)計時必須重視揚(yáng)壓力的作用，設(shè)置必要的排水”。這些事例說明，對于建筑在巖石地基上的混凝土大壩，必須將防止出現(xiàn)過高的孔隙水壓力，作為防止產(chǎn)生滲流破壞的重點(diǎn)。僅僅減小滲流量并不一定能防止出現(xiàn)高的孔隙水壓力。6.2松散土體壩區(qū)及壩基滲漏穩(wěn)定問題控制松散土體壩區(qū)滲漏的地質(zhì)條件是多方面的，主要有：土體的成因類型、物質(zhì)成分、地層結(jié)構(gòu)及其空間分布特點(diǎn)，也與其沉積時代及地貌特征等有關(guān)。6.2.1松散土體滲漏條件的地質(zhì)分析6.2.2壩基滲漏穩(wěn)定問題凡有滲流就有滲流動水壓力，此壓力達(dá)一定值時，土中的某些顆粒就會被滲透水流攜帶和搬運(yùn)，這種地下水的侵蝕作用稱為潛蝕。潛蝕應(yīng)包括化學(xué)潛蝕和機(jī)械潛蝕。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；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)變松，強(qiáng)度降低，這樣一種變化可以稱為土石的滲透變形(seepagedeformation)或滲透破壞。強(qiáng)烈的滲透變形會在滲流出口處侵蝕成孔洞，孔洞又會促使?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，這就是管涌(piping)?？梢?，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。(1)壩基滲透變形的形式(A)管涌：是單個土顆粒在滲透作用下獨(dú)立移動的現(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)部粗粒骨架的孔隙中。當(dāng)壩基土體的粗?？紫吨心鼙粩y走的細(xì)顆粒含量較少時，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，即會危及壩體安全。黑龍江省龍鳳山水庫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)開始普遍出現(xiàn)小泉眼，孔徑3~5mm，并有淤泥顆粒跳動。當(dāng)水深達(dá)12.3m時，涌水口增多，孔徑達(dá)15cm，翻水帶泥，滲流量達(dá)1m3/s。之后盡管降低庫水位、用砂石鎮(zhèn)壓涌水洞口，險情仍在發(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，當(dāng)其動水壓力超過土體自重時，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和流走。隨著條件變化，管涌也可轉(zhuǎn)化為流土，龍鳳山水庫壩基滲透變形后階段即屬流土形式。山西省東榆林水庫副壩潰決事故，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10~15cm左右，當(dāng)晚水位1039.18m(水深4.18m)時壩體潰決，決口底寬150m。潰壩的原因是施工時從庫內(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)的粉砂土出露于壩下游排水溝邊坡，致使庫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。(2)產(chǎn)生滲透變形的壩基結(jié)構(gòu)特征在單一結(jié)構(gòu)型情況下，若為砂卵(礫)石層，一般地說會發(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。在多厚層和多薄層結(jié)構(gòu)型情況下，是否會發(fā)生滲透變形，主要取決于表層粘性土的性質(zhì)、厚度和完整程度。如果粘性土較厚且完整，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。如果粘性土較薄或不完整，則在壩下游當(dāng)土層的某些部位自重小于滲流的動水壓力時，粘性土層即被頂鼓，產(chǎn)生裂縫，以至沖潰、浮動，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游向下游逐漸變厚，由于過水?dāng)嗝孀兇蠖鳒p了動水壓力，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，則動水壓力逐漸增大，有利于滲透變形的發(fā)生。表層粘性土的自重壓力(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。(3)壩基滲透變形的預(yù)測壩基產(chǎn)生滲透變形的必要條件是地下水動力條件（水力梯度）和土石的粒度成分條件（壩基地層結(jié)構(gòu)特征）。滲透變形預(yù)測是壩基滲透穩(wěn)定性評價的主要內(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)際水力梯度超過了允許后，就可能發(fā)生滲透變形。預(yù)測的步驟是：(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。實(shí)際水力梯度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，有理論計算、繪制流網(wǎng)、水電比擬等方法。確定臨界水力梯度的方法也較多，有計算法、圖表法和試驗法等。對于流土，根據(jù)土的類型及其致密程度，可選擇不同的計算公式。粘性土砂土砂礫石、砂卵石γ/、γω分別為土的浮容重及水的容重；tgφ、c為土的摩擦系數(shù)及內(nèi)聚力；L為破壞面長度；η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，受力條件比較復(fù)雜，同時土的顆粒組成、排列方式等也復(fù)雜多樣，因此目前還沒有理想的計算公式，一般采用圖表法和試驗確定臨界水力梯度。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)系曲線確定允許水力梯度時首先要確定安全系數(shù)(m)。安全系數(shù)與地基土性質(zhì)及建筑物等級有關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗，一般對在固定水頭差作用下發(fā)生連續(xù)管涌現(xiàn)象的危險性管涌土，選用安全系數(shù)2~3；而非危險性管涌土，選用安全系數(shù)1.5~2.5較合適。安全系數(shù)確定后，即可獲得允許水力梯度I允：允許水力梯度參考值

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話，是危險的；否則是安全的。6.3裂隙巖體壩區(qū)及壩基揚(yáng)壓力問題6.3.1裂隙巖體壩區(qū)