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(gè)水庫(kù)用來(lái)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(lè)。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(duì)人類和環(huán)境的影響具有嚴(yán)重的破壞性，這些問(wèn)題需要同時(shí)通過(guò)采取預(yù)防措施和加固措施來(lái)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(jì)，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(guò)相關(guān)的調(diào)研和研究對(duì)該部分存在的問(wèn)題進(jìn)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(dòng)、動(dòng)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(guò)肉眼或者外部探傷設(shè)備檢測(cè)到，并能通過(guò)外部修復(fù)或加固的方式增強(qiáng)壩體的穩(wěn)定性。相反，滲漏發(fā)生是由于缺乏監(jiān)測(cè)和儀器檢測(cè)壩體外部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，需要更為精細(xì)的設(shè)備對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和細(xì)小的損傷進(jìn)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(lái)的危險(xiǎn)水庫(kù)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(diǎn)部分，施工環(huán)節(jié)的任何質(zhì)量問(wèn)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(huì)直接降低堤壩結(jié)構(gòu)的安全性和運(yùn)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(lái)控制，滲漏問(wèn)題也可以依據(jù)各個(gè)方面進(jìn)行討論。水庫(kù)壩泄水會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而出口梯度、孔隙水壓力、滲透速度和侵潤(rùn)線暴露則影響了水庫(kù)和堤防壩的物理穩(wěn)定性[5]。現(xiàn)有的文獻(xiàn)已經(jīng)對(duì)具體的防滲措施進(jìn)行了幾項(xiàng)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?cè)试S的尺寸、形狀、位置及用更好性能的材料。

1 滲透問(wèn)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(jì)和施工十分重要的方面。堤壩中的滲流被定義為水通過(guò)地基或基建下方的路堤時(shí)，從堤壩的上游一側(cè)流向下游一側(cè)的情況[6]，滲流問(wèn)題最常見(jiàn)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(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致水流滲透。若未能防止堤壩滲漏會(huì)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(shí)程度等。黏土的可塑性指數(shù)小于15 會(huì)導(dǎo)致壩體對(duì)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(jì)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(jì)損失，如圖1，水流沿著浸潤(rùn)線滲出。

圖1 堤壩故障

1.3 堤壩滲流分析

如何評(píng)估堤壩的防止?jié)B透能力，對(duì)于災(zāi)難預(yù)防十分重要。首先需要進(jìn)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(guò)壩橫截面的滲流量。滲流分析既是用于評(píng)估各種防滲方法的有效方法，還可以為特殊的堤壩設(shè)計(jì)選擇合適的防滲措施。在大多數(shù)情況下，滲流分析是通過(guò)各種分析方法（例如Dupuit方法，和共形映射法）、實(shí)驗(yàn)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?yàn)閿?shù)值方法易于分析，且所需時(shí)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(shí)驗(yàn)。

1.3.1 流網(wǎng)

流網(wǎng)是水在土壤中運(yùn)動(dòng)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(jiàn)圖2。

圖2 流網(wǎng)圖

從圖2 可以看出，浸潤(rùn)線（頂部拋物線）在堤壩下游斜坡處的A 點(diǎn)相遇。在線下方，斜率飽和，水流淌。在此情況下，可能會(huì)發(fā)生以下情況：1）高測(cè)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(huì)導(dǎo)致高滲流，然后導(dǎo)致內(nèi)部侵蝕。為了解決這些問(wèn)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(rùn)線

浸潤(rùn)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(shí)受滲流水的滲透力作用，故壩體內(nèi)浸潤(rùn)線位置的高低及形狀對(duì)壩體的應(yīng)力、土料的抗剪強(qiáng)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(rùn)線的位置也是實(shí)際工程中的研究課題。

1.4 堤壩滲漏引起的問(wèn)題

堤壩中儲(chǔ)存的水總是會(huì)朝著低壓地區(qū)的，釋放自身壓力。因此，水流通過(guò)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(xiǎn)主要存在于堤壩中，考慮到所有這些因素，建議在設(shè)計(jì)階段采用測(cè)量水流壓力和滲流流量的儀器。滲漏引起的3 個(gè)基本問(wèn)題如下。

1）管道堵塞。當(dāng)滲水在通過(guò)堤防或地基移出時(shí)會(huì)攜帶土壤顆粒，此刻就會(huì)造成管道堵塞。當(dāng)它連續(xù)發(fā)生時(shí)，管道或通道將在土壤團(tuán)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(huì)導(dǎo)致堤壩崩塌。

2）起伏和邊坡不穩(wěn)定。過(guò)度滲流導(dǎo)致地基邊坡穩(wěn)定性降低，有時(shí)滲流力在堤壩下游的地基土壤中形成，這將會(huì)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(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。但針對(duì)管道堵塞、起伏和邊坡不穩(wěn)定等問(wèn)題，采用穩(wěn)定性管理后不會(huì)給堤壩帶來(lái)滲漏問(wèn)題。

2 堤壩的滲流控制措施

排水過(guò)濾器是防止?jié)B漏的最佳方法。提供過(guò)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(xì)粗物料分級(jí)而成的多層排水系統(tǒng)，以防止細(xì)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(xì)砂、粗砂和礫石組成，巖趾的高度通常保持在儲(chǔ)層高度的15%～30%之間。

圖3 巖趾防止堤壩滲漏

2.2 水平過(guò)濾器

如圖4 所示，水平過(guò)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(guò)濾器

2.3 豎井排水管

水平排水是更好地降低浸潤(rùn)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(guò)濾器針對(duì)發(fā)生大規(guī)模分層情況是有效的。針對(duì)大規(guī)模分層，垂直過(guò)濾器與水平過(guò)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?cái)鄬友由斓讲煌杆A(chǔ)的深度，如果深度較大，則提供部分阻斷（最大深度較?。?/p>

2.5 防止堤壩滲漏的減壓井

當(dāng)通過(guò)透水地基浮雕井發(fā)生大規(guī)模滲漏時(shí)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(jìn)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(jìn)行分析。其中壩面傾角為30.96°，上下游面垂直，比例為10∶6。對(duì)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(jìn)行的。由頂部的粗砂和底部的細(xì)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(méi)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(guò)濾器為粗砂和細(xì)砂，內(nèi)黏土芯為黏土，其滲透率系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各種材料的滲透率系數(shù)m/s

3.3 水平過(guò)濾器

過(guò)濾器的功能是通過(guò)壩體的下游腳趾增強(qiáng)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(guò)濾器有兩層，均由具有相同厚度的細(xì)砂和粗砂組成?？紤]C1F2 和C2F1 條件，進(jìn)行了分析。經(jīng)數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器對(duì)長(zhǎng)度（L)、厚度（t）和組合的影響有所不同。

圖6 中對(duì)滲流特性上的圖層進(jìn)行了研究和描述，其中C1F2 和C2F1 代表不同的設(shè)置，L 為過(guò)濾器長(zhǎng)度，t 為過(guò)濾器厚度。圖6（a）描述了水平式過(guò)濾器對(duì)孔隙水壓力的影響?？紤]到長(zhǎng)度為9.00 m時(shí)，水平過(guò)濾器對(duì)兩種材料組合的孔隙水壓力降低的影響可以忽略不計(jì)，但當(dāng)將長(zhǎng)度增加到12.00 m時(shí)，孔隙水壓力顯著降低。結(jié)果表明，水平過(guò)濾器的長(zhǎng)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(xì)砂放置在水平過(guò)濾器的頂部的情況。相反，它取決于水平過(guò)濾器的尺寸，過(guò)濾器厚度增加，最大梯度減??；然而，隨著長(zhǎng)度的增加，最大梯度增大。隨著過(guò)濾器的長(zhǎng)度和寬度的減少，水的排放也在減少，見(jiàn)圖6（c）。而材料交替，即粗砂位于頂部或細(xì)砂位于水平過(guò)濾器頂部，對(duì)排放無(wú)影響。因此，為了減少堤壩的排水量，最好采用長(zhǎng)寬比小的水平式過(guò)濾器。排放速度取決于過(guò)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(xì)砂放置在水平過(guò)濾器的底部，其出口速度較低。如細(xì)砂位于頂部，粗砂位于水平毯過(guò)濾器底部。尺度的影響對(duì)于水平式過(guò)濾器的長(zhǎng)度和寬度與流量的趨勢(shì)相同。

圖6 水平過(guò)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(gè)比不同外殼材料滲透性低的內(nèi)部黏土巖芯。對(duì)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(duì)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(dòng)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(shí)，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(jì)。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(yǔ)

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(duì)每種滲漏現(xiàn)象該采用什么樣的措施，通過(guò)對(duì)這些措施的優(yōu)缺點(diǎn)及防滲性能等進(jìn)行比較，最后得出：水平過(guò)濾器由頂部粗砂層和底部細(xì)砂層組成，對(duì)提高流動(dòng)性能效果良好；較大的水平過(guò)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(shí)際工程中，可以幫助設(shè)計(jì)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(xiàng)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(duì)新的防滲加固技術(shù)的進(jìn)一步研究。