中国水利水电第十一工程局有限公司 郑州 450000
摘要：土石坝工程在我国分布较为普遍，特别是中小型工程更是这样，由于种种原因该坝型在设计和施工中存在的管涌和流土现象造成渗透破坏，指使工程成为危及下游安全的重大隐患，所以从勘察、设计和施工以及运行等方面应引起足够的重视。本文从中小型土石坝在设计施工中容易产生管涌和流土而产生渗透破坏方面出发，参照国内外有关文献和资料，并结合自己在设计和施工方面的经验，着重分析了中小型土石坝在设计和施工过程一些做法要求和注意事项，对一些做法从理论上给了一定的分析和说明，对中小型土石坝病害防治在设计和施工方面有一定的积极作用。
关键词：土石坝；流土；管涌；漏水；渗透；破坏；防渗；冲刷；反滤
土石坝在水利工程中是最普遍采用的一种坝型。在我国由于土石坝有：可就地取材、节省大量钢材、木材和水泥，并且对地质条件要求较低的特点。所以土石坝在我国发展的很快。据统计，目前我国已建成的土石坝有六万余座，占全部水坝总数的95%以上，其中坝高在15米以下的土石坝有四万五千余座，且大部分为碾压式土石坝。
由于勘测设计不周、施工不良和管理运行不当等原因，以及许多客观因素导致土石坝产生管涌和流土现象，是造成土坝渗透破坏的主要原因。
土体受渗透力的作用，一些细颗粒被渗流冲刷，想下游方向移动，由于渗流出口流失，或向相邻的粗颗粒土体的孔隙中流失。流失土粒逐渐增多，渗流流速增大，较粗颗粒也逐渐流失，这样恶性发展，久而久之，便会贯穿成连续通道，从而造成管涌。
如果渗流出口是级配均匀的砂土或粘壤土，而且在渗流出口附近存在较高的剩余水头，此水头的浮托力超过上覆砂土或粘壤土的有效压力时，则渗流出口土体被顶破、隆起、击穿，发生砂沸，或土体突然被冲走，局部成为洞穴、坑孔、，这种现象成为流土。
坝基缺乏防渗措施或采取不正确的水平防渗措施（例如：铺盖长度不足、厚度不足、碾压不密实、渗透系数太大等）时，容易发生管涌、流土事故，亦称渗透破坏。渗透破坏有一个发展过程，大多数渗透破坏事故发生在蓄水以后2～3年或更长时间以后。但是，如果坝基砂卵石地层完全没有防渗措施，致使渗透比降太大，则也可能在蓄水后短时间内发生管涌、流土等渗透破坏。
渗透破坏形式一般有如下两种：
（1）、由于砂卵石地层不均匀，有的部位颗粒很粗，缺乏细粒渗透系数很大。其上游部位颗粒细，渗透流速大，则细颗粒向下游部位的粗颗粒孔隙中移动，并逐渐溯源流失细粒，使上游部位渗透系数变大，水头损失减小，一致下游部位承受绝大部分水头，因而发生流土。
（2）、下游部位渗流出口有薄层粘性土或均匀细砂层，如果该处流网位势较高，将出口处粘性土或细砂层顶穿发生流土，并逐渐溯源流失，形成连续孔洞，以致发生渗透破坏事故。
另外，渗流沿两种不同介质的接触面流动时，有可能将接触面上的颗粒冲走，或其中一层的细粒进入另一层的粗颗孔隙中。此现象称为接触冲刷或接触流土。心墙或斜墙与混凝土或坝下埋管的接触面，因填土不密实、渗径太短或管壁向外漏水而导致接触面冲刷或接触流土。
粘性土心墙、斜墙如果有贯穿性裂缝（包括由地震产生的裂缝），缝壁土疏松，其土颗粒会被通过裂缝的集中渗流冲刷流失，致使裂缝逐渐扩展，冲刷成连续孔洞，最后导致溃坝失事。缝壁土的冲刷扩展速度视裂缝宽度、土料性质、渗透流速而定。粘土抗冲刷能力强，粉土抗冲刷能力差，分散性土抗冲刷能力更差。心墙、斜墙裂缝冲刷有一个发展过程，一般要经历较长时间，但也有在几天内溃坝失事的。心墙、斜墙上下游侧如有良好的反滤，则抗冲刷能力将大为增强。用土工织物作反滤有良好的抗冲刷效果。
填筑密实的粘性土心墙、斜墙可承受很大的水力比降而不发生渗透破坏。密实的粘土破坏比降可达200；密实的壤土，破坏比降可达100～150；密实的粉质壤土或砂质壤土，破坏比降可达50～100；由于填土的土质不均匀，层面之间也可能存在薄弱面，故设计允许渗透比降常采用较小值，粘土采用5～10，壤土采用4～6，粉质壤土或砂质壤土采用3～4。
密实的粘性土与混凝土建筑物的接触面，如细致夯实，接触良好，接触面渗径的允许可采用上述填土允许渗透比降的50%。密实的粘性土心墙、斜墙与混凝土底板的接触面，与混凝土防渗墙的接触面都属于此种情况。当填土与良好的基岩直接接触时，允许渗透比降约为上述数据的50%～70%。
砂砾卵石在较小的渗透比降作用下就会发生渗透破坏，能够承受的渗透比降与其级配、密实程度、形成历史有关。砂砾卵石层以管涌形式破坏，均匀砂以流土形式破坏。级配良好的砂砾卵石可承受渗透比降0.2～1.0；不连续级配（缺中间颗粒）容易管涌只能承受渗透比降0.07～0.3；均匀砂可承受渗透比降0.5～0.8才发生流土破坏。所有上述砂砾卵石密实度高者能承受稍高的渗透比降，反之只能承受稍低的渗透比降。凡形成历史久的砂砾石地层可承受较大的渗透比降，形成历史短的只能承受较小的渗透比降，有的形成历史久又有胶结能力的砂砾卵石可承受渗透比降1～4而不致破坏。由于砂砾卵石在地层中变化较大，影响其破坏渗透比降的因素很多，故采用的允许渗透比降还需将上述破坏比降除以1.5～2的安全系数。
在渗流出口设置反滤层可使上述这些渗流介质的破坏渗流比降有所提高。当粘性土发生裂缝，裂缝中的渗流会将缝壁土冲刷移动，移动的土粒被反滤层阻挡，不会流失，集中贴在反滤层的上游面。但这集中在反滤层上游面的一薄层土粒将承受通过裂缝的全部水头，致使薄层粘土粒的渗透比降很大而可能击穿。砂砾石的渗流出口有反滤保护层时，如果渗透比降超过砂砾石的破坏比降，砂砾石中的细颗粒则向反滤层移动，集中贴在反滤层的上游面，最后全水头作用在这薄层颗粒上，也会被击穿。因此设计采用的允许比降应以这些渗流介质的允许渗透比降为准，反滤层的保护作用只作为备用安全度考虑。
如果有裂缝，则其允许渗透比降几乎为零，即渗流速度几乎为零时土粒就会流失，冲蚀成孔洞。如用分散性土做心墙第一层反滤要用中细砂，以保护不被渗流水淋蚀。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆如用分散性土做匀质坝，其表面必须用厚50cm以上的砂砾石保护，在分散性土坡与砂砾石层之间还应铺中细砂反滤层以防止被雨水淋蚀。以前由于对分散性土缺乏认识，用分散性土筑坝而未采取上述工程措施的，常发生落水洞及渗透破坏等事故，甚至发生溃坝事故。但是，因此而认为分散性土不能筑坝也是不正确的。只要采取提高压实标准和严格的保护措施，或掺加4%石灰使之成为非分散性土，是可以成功地用于筑坝的。
在实际的设计、施工、检查、维修、加固时应注意以下几点：
1.因水平防渗铺盖太短太薄，或有些部位未碾压因而渗透系数太大，铺盖基础有大块石柳条旧坝等未清楚，未铺反滤层等原因，都能造成管涌。因此，要使防渗铺盖取得成功，必须进行正确的勘测设计。
首先要对河床冲积层进行详尽勘探试验，作出冲积层的地质剖面图，查明各层的颗粒级配、渗投系数、允许渗透比降，查明铺盖土料的料源、级配、最大干密度、最优含水量、渗透系数、允许渗透比降，据以进行正确的设计。
2.因坝体土与排水体之间的反滤层设计不正确，层间系数过大，或施工时有错断混层现象，或填土不够密实，过大的渗流使填土向排水体流失，都会造成沿反滤排水体的填土全面发生渗透破坏。故反滤层的设计是不可忽视的。对比较松的有分散性的填土，反滤层的设计标准则更应该严格。铺设反滤层的施工也应严格保证施工质量。
3.对于多层的不均一的砂土、壤土、薄层粘土地基，其不透水层（粘土、壤土）一般是不连续的。要利用这种原状地层作为坝基的天然防渗层是极不可靠的，虽然只有几米水头也会发生管涌失事。因此在没有经过周密的勘探试验，查明各地层的空间分布，证明存在连续不透水层的情况下，必需设计好水平或垂直防渗结构。
4.粘土心墙底部的砂卵石透水层，用粘土截水槽垂直防渗是可靠的防渗措施，但必须直达基岩或直达连续的可靠的粘土层，不应在心墙截水槽底部残留一部分透水层。否则，这种集中渗流必然掏刷透水层，造成管涌事故。因此，开挖截水槽时切不可因施工困难，半途而废，不开挖到不透水层。
5.粘性土心墙或粘性土斜墙底部，填土不应与裂隙发育的基岩直接接触，因为蓄水后，裂隙中集中渗流将冲蚀与之接触的粘性土，使之流失到树枝状四通八达的裂隙中去成为泥浆，从下游裂隙流出，形成接触冲刷，逐渐将接触面附近的粘性土冲蚀成孔洞而失事。特别是分散性土、黄土、塑性指数很小的轻壤土等，很小的渗流流速就能冲蚀它们，因此更不应列隙性基岩相接触。而应在基岩上直接浇筑混凝土底板或喷混凝土层，然后填土，再在底部进行接触灌浆和固结灌浆。实际上，深部的帷幕灌浆并不重要，因为它不能封闭基岩表部的裂隙。
基岩中开挖截水槽，上下游槽壁边坡不应过陡，要缓于1：0.75，最好缓于1：1。截水槽也不宜太窄。太陡太窄的基岩截水槽中回填的粘土，容易因拱作用而产生水平裂缝，导致冲蚀破坏。
6.土石坝两头的岸坡不应该呈台阶状，应开挖成较平顺的坡度。为了减少开挖，可以变坡，但上下两坡度折转处，两坡角之差不应超过150～200。如果有平台，则平台处填土高度与平台两端的填土高度，高差悬殊，沉陷量突变，容易产生裂缝，导致渗透破坏失事。
7.凝土防渗墙施工，一般是在泥浆护壁下浇筑的，应严格遵守施工规范，保证质量，保证其连续性。墙分段接头处，应该用扒管法或掏打法，并冲洗泥皮，然后浇筑混凝土，防止接头缝因泥皮太厚，在高水头压力下泥皮冲失而漏水；也要使墙体不发生狗洞蜂窝，防止因墙体漏水而冲刷砂卵石地基。
8.混凝土防渗墙顶部粘土厚度不能太薄，否则由于地基和坝体沉陷时，防渗墙顶对土体的挤压力将使土体产生放射状裂缝，裂缝穿透上部粘土时就发生渗流短路，导致渗流冲刷。当混凝土防渗墙顶部与粘土铺盖连接时，如果不局部加厚铺盖，就容易发生这种事故。混凝土防渗墙设在粘土心墙底部时，则没有发生过裂缝穿透粘土的短路事故。
9.黄土铺盖或壤土覆盖层，一般不能作为天然铺盖。若在天然铺盖的上游部位对地基砂卵石灌浆或打设混凝土防渗墙会更增大铺盖顶底的水头差，更容易使天然铺盖裂缝蹋坑（除非对天然铺盖经过详尽勘探和设计）。如果厚度不足或渗透系数太大，可以增加人工铺盖成为组合式铺盖，以免天然铺盖失事。砂卵石地基如果采用灌浆帷幕防渗就不需要在利用天然铺盖作水平防渗，此时，砂卵石帷幕灌浆应该设计在上游坝脚与坝轴线的三分点至坝轴线之间的范围内，这样天然铺盖只作为辅助防渗之用。
10.用分散性粘土筑坝，应该提高填土压实标准，并尽量使第一期填筑与第二期和龙段填筑高差不要太大，防止产生过大不均匀沉陷而导致裂缝，因分散性粘土承受不均匀沉陷的能力很差，而且裂缝中渗透流速很小的渗流就能使缝壁土崩解冲蚀。分散性粘土心墙的第一层反滤应采用中粗砂。分散性粘土匀质坝坝坡必需用厚1米以上的砂卵石保护，以免雨水淋蚀成落水坑。
同时，由于土坝建成蓄水后，总有一定的渗流通过坝体渗到下游。土坝的反滤排水就是为该部分的渗流设置的一条安全通道，以保护土坝的坝基的土块和土粒不被带走。如果土坝没有设置反滤排水或做的不符合要求，就可能导致渗透破坏，即发生管涌和流土。
因此在设计和施工中对土坝的反滤排水应引起高度的重视。凡有渗流出口的地方均要做反滤层，在渗流通过两种土料或粒径相差太大时，其间要设过渡层。反滤层每层的厚度，一般不应小于反滤料中最大粒径的5～8倍。为便于施工，一般不应小于20cm。在下游发生渗流破坏时，为了增加压重可以厚一些。如果应用土工织物，应按土工织物的反滤要求（一般只需1～3m厚度）。反滤的层数从被保护土层起，由细到粗，分层排列。反滤层布置尽量与渗流流出方向垂直。对于反滤层粒径的要求被保护土壤的颗粒不应经反滤层带走。开始发生渗流时可以允许很细的颗粒带走，即开始时允许出现点浑水，过一段时间变成清水；反滤层任何一层的颗粒不应穿过下一层较大的颗粒间的空隙；每层内颗粒不应发生移动；反滤层不应被阻塞，特别应防止施工运料时和雨水冲刷的泥土阻塞反滤层。反滤层的材料应严格要求，不能用风化和不清洁的砂石料。反滤层可以用人工的或天然级配料。在实际应用中，人们对反滤层的铺设积累了很多经验；①无粘性土（细砂、砂、砾、碎石）的反滤要求严于粘性土，因为粘性土有一定的粘结力，颗粒不易被水带走；②向下渗流的反滤保护要严于向上的保护，因为前者渗透力和自重方向一致，颗粒更容易被被水带走；③压实不好的土严于压实好的土。压实不好的土应于压实不好的无粘性土同样应严格反滤要求；④对建筑物的渗流出口，风化岩基和有裂隙的岩基也应有反滤措施。
管涌和流土现象是危害中小型土石坝常见病害，因此在勘察、设计、施工以及运行时，要严格按照有关规范和规定，进行严谨的分析和计算方法，并结合具体项目进行多种方案的技术经济比较，根据具体情况，具体对待。
论文作者:李鹏
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第26期
论文发表时间:2018/12/3
标签：粘土论文; 铺盖论文; 土石论文; 分散性论文; 裂缝论文; 粘性论文; 壤土论文; 《建筑模拟》2018年第26期论文;