（岩土工程专业论文）堤坝管涌集中渗流通道形成机理及数值模拟.pdf

摘要 堤坝管涌集中渗流通道形成机理及数值模拟 学科名称：岩土工程 作者姓名：谭江 导师姓名：党发宁 导师职称：教授 作者签名：镭：z 量霎薷意彩埒 答辩时间：”j 摘要 我国水利水电事业的快速发展，促进了众多水利工程的兴建，其中土石坝与堤防工 程占据了相当大的比例，而堤坝工程的渗透变形与渗透破坏研究始终是堤坝研究的重点 课题之一，而管涌的研究又一直是重中之重。在堤坝渗流过程中经常出现细粒运移的问 题，对于细粒渗出层，渗流过程相当于浑水的出渗，所以管涌问题是最典型的浑水出渗 问题，但目前所有解决浑水渗流的方法实质上是基于清水的渗流理论，忽略了渗流过程 中泥砂运移的影响，这必然与实际情况不太相符，也导致所得的结果有较大的偏差。基 于管涌与浑水出渗问题本质的相同，本文通过研究浑水出渗的过程对堤坝的管涌现象进 行探索。 本文针对岩土工程界浑水出渗这一普遍的具有代表性的问题，提出了解决此问题的 新方法。认为在浑水出渗过程中被渗透水流带走的泥砂引起了渗透系数和孔隙率的变化， 同时渗透系数和孔隙率的增大又加强了渗透水流携带泥砂的能力，这是一个互相影响、 相互促进的过程，基于此种理念，以达西定律的为基础，引用水力学水流携砂能力经典 公式，利用数学方法推导出了浑水出渗的理论计算公式，给出了求解浑水出渗微分方程 的差分形式，并利用f o r t r a n 语言编写程序，达到可以对一定体积土体的浑水出渗过程进 行计算的目的，并得到浑水出渗过程中渗透系数、孔隙率和渗流量随时间变化的规律曲 线。 本文在对堤坝管涌发生后产生集中渗流通道的机理进行了深入的分析，在此基础上， 利用商业有限元软件g e o - s t u d i o 对管涌开始发生时的影响范围进行计算，利用自编浑水 出渗程序对管涌影响范围内土体的渗透破坏过程进行计算，得到该范围内土体在管涌发 展过程中的渗透系数、孔隙率和渗流量与时间的关系曲线，并将计算结果代回 g e o s t u d i o ，进行迭代计算。通过此种方法，可以模拟管涌集中渗流通道的形成过程， 推算集中渗流通道的发展方向，为堤坝的抢险加固提供参考。 关键词：管涌，浑水出渗，渗透系数，管涌集中渗流通道 本文研究得到国家自然科学基金面上项目( 编号：1 0 3 7 2 0 7 8 ) 的资助 本文研究得到国家自然科学基金面上项目( 编号：5 0 6 7 9 0 7 3 ) 的资助 本文研究得到国家自然科学基金重点项目( 编号：9 0 5 1 0 0 1 7 ) 的资助 西安理工大学硕士学位论文 t h ef o r m a t l o nm e c h a n i s ma n dn u m e r i c a ls i m u l a t l o n o fp i p i n gc e n t r a ls e e p a g ef l o wc h a n n e li ne m b a n k m e n t s u b j e c t ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g a u t h o r ：t a n j i a n gs i g n a t u r e ： a d v i s o r ：d a n gf a n i n g ( p r o f e s s o r )s i g n a t u r e ： a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eh y d r o - e l e c t r i ci n d u s t r y , al o to fh y d r o e l e c t r i cp r o j e c t s a r eb u i l t , t h ee a r t hr o c kd a ma n de m b a n k m e n tp r o j e c t sh o l dt h em a i n p r o p o r t i o n ，a n dt h e s e e p a g ed e f o r m a t i o na n dt h es e e p a g ef a i l u r eo ft h el e v e ec o n s t r u c t i o na r eo n eo ft h ek e y r e s e a r c h e s ，e s p e c i a l l yt h ep i p i n gr e s e a r c h i nt h ep r o c e s so fl e v e es e e p a g e ，t h ep r o b l e mo ft h e s m a l lg r a i nm i g r a t i o ni so f t e no c c u r r e d f o rt h el a y e ro fs m a l lg r a i n ，t h ep r o c e s so fs e e p a g ei s e q u a lt os e e p - o u to f m u d d l ew a t e r , s ot h ep i p i n gp r o b l e m i st h em o s tt y p i c a lp r o b l e mo f m u d d l e w a t e rs e e p ，b u ta l lo ft h em e t h o d su s e di nt h es o l v i n gt h em u d d l ew a t e rs e e pa r eb a s e do nt h e t h e o r yo ft h er i n s i n gs e e pw h i c hi g n o r e st h ee f f e c to ft h es a n da n dm u dm i g r a t i o n , t h i sd on o t c o m p l e t e l ym a t c hv n t l lt h ef a c ts ot h a tt h er e s u l th a sg r e a tw i n d a g e b a s e do nt h ee s s e n t i a lo f t h ep i p i n gp r o b l e mi st h es a l n ea st h em u d d l ew a t e rp r o b l e m ，t h ep i p i n gp h e n o m e n o no ft h e l e v e ed a mi sr e s e a r c h e db yr e s e a r c h i n gt h ep r o c e s so fs e e p - o u to f m u d d l ew a t e r i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h es e e p - o u to f m u d d l ew a t e rw h i c hi sa r e p r e s e n t a t i v ep r o b l e m ， w eh a v ean e wi d e at os o l v et h ep r o b l e m w en o wc o n s i d e rt h a tb e dl o a dw h i c hi st a k e nw a yb y s e e p a g ei nt h ep r o c e s so f m u d d l ew a t e rs e e pc o u r s c st h ec h a n g e so fp e r v a s i o nc o e f f i c i e n ta n d p o r o s i t yc o e f f i c i e n t a tt h e s a m et i m et h ei n c r e a s eo fp c r v a s i o nc o e f f i c i e n ta n dp o r o s i t y c o e f f i c i e n th a sa l s os t r e n g t h e n e dt h ea b i l i t yo fc a r r y i n ga w a yb e dl o a do fm u d d l ew a t e rs e e p t h i si sa l li n t e r - a c t i o na n ds t i m u l a t i v ep r o c e s s a c c o r d i n gt ot h i si d e a ，w eh a v eb a s e do nd a r c y l a w , c i t e dw i 血c u r r e n tf l o ws l x e a mt a k i n gs a n da b i l i t y c l a s s i c a l e x p r e s s i o n sa n du s e d m a t h e m a t i c a lm e t h o dd e d u c i n gat h e o r e t i ce x p r e s s i o no ft h es e e p - o u to fm u d d l ew a t e r , g i v i n g d i f f e r e n c eo f t h es e e p - o u to f m u d d l ew a t e rd i f f e r e n t i a le q u a t i o n w eh a v ea l s ou s e df o r t r a n t oc a l c u l a t et h ep r o c e s so ft h es e e p o u to fm u d d l ew a t e rw i t hd e f i n i t ev o l u m ea n dw ec a na l s o g e td i s c i p l i n a r i a nc u r v eo f p e r v a s i o nc o e f f i c i e n t ，p o r o s i t yc o e f f i c i e n ta n dq u a n t i t yo fs e e p a g e i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ed e e pa n a l y s i so fm e c h a n i s mo fs e e p a g ec h a n n e l sw h e nd a l n s o c c u r sp i p i n g ，w eu s e dg e o - s t u d i ot oc a l c u l a t et h ei n f l u e n c i n ga r e ao fp i p i n gb e g i n n i n ga n d u s e dp r o g r a mo f t h es e e p - o u to f m u d d l ew a t e rt oc a l c u l a t et h ep r o c e s so f o s m o t i cd a m a g ei nt h e p i p i n gi n f l u e n c i n ga r e a , s ot h a tt og e tt h ec u r v eo fp e r v a s i o nc o e f f i c i e n t ，p o r o s i t yc o e f f i c i e n t a n dq u a n t i t yo fs e e p a g e ，t h e ng e tt h er e s u l t sb a c kt og e e - s t u d i oi no r d e rt oc a l t yt h r o u g h i i 摘要 a n dq u a n t i t yo fs e e p a g e ，t h e ng e tt h er e s u l t sb a c kt og e o s t u d i oi no r d e rt o c a r r yt h r o u g h i t e r a f i v ec a l c u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d ，w ec a l ls i m u l a t et h ef o r m i n gp r o c e s so f p i p i n g c o n c e n t r a t i n gi nt h es e e p a g ec h a n n e l s ，c a l c u l a t et h ed i r e c t i o no fp i p i n gc o n c e n t r a t i n gi nt h e s e e p a g ec h a n n e l si no r d e rt op r o v i d es o m er e f e r e n c et or u s ht or e p a i ra n dp i nu pt h ed y k e k e yw o r d s ：p i p i n g ，s e e p o u to f m u d d l ew a t e r , s e e p a g ec o e f f i c i e n t ， p i p i n gc e n t r a ls e e p a g ef l o wc h a n n e l 1 1 1 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 学位论文使用授权声明 湃；月 本人刍魄2 至 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 诬安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公_ 开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：啦导师签蹴。7 年；月，曹日 k 第1 章绪论 1 绪论 1 1 堤坝工程发展现状 土石坝作为在世界范围内广泛应用的一种挡水建筑物，主要是由坝址处附近的土石料 填筑而成，所以又称“当地材料坝”，大约在5 0 0 年前人类开始筑坝时就采用了这种古老的 坝型。这是因为，建坝要选择易于获得筑坝材料如粘土、粉土、砂、卵石和石块的地方， 最初的填筑坝，其特点显然是抗冲蚀性能差，因为主要用树干、树枝和泥浆填筑大坝，使 用土石等材料保证坝的蓄水功能，这是筑坝的一个基本要求。 堤防，是治水的水利工程之一，是防止洪水侵袭，沿江、河、湖海周边修建的挡水建 筑物，是为了保护农田、工厂和自身的生存与发展，而逐步兴建与扩展的水利工程，是防 洪工程体系的重要组成部分。堤防工程的堤身、堤基土体及穿堤建筑物的质量是堤防工程 的生命，是确保防护区安全的关键，堤防工程的建设已有几百甚至上千年的历史埘 1 1 1 世界土石坝发展现状 从1 9 世纪末国外水力冲填坝的开始使用和发展，到1 9 0 0 年，国内外土坝总数还不超 过1 1 6 座，最大坝高仅6 1 m 。随着固结理论、击实原理、有效应力原理等理论、原理的提 出和不断完善，以及碾压机械、原位观测、施工工艺、水文学的应用，土石坝建设得到了 迅速发展。2 0 世纪5 0 年代以来，随着大型碾压设备如振动碾的出现以及计算机在设计中 的应用，各种粒径的土、砂、砂砾石、石渣都能方便的碾压密实，土石坝的高度越来越高， 数量也不断增加。 英国在1 8 ，1 9 世纪的工业革命中，掀起了修建土石坝的高潮，以满足城市居民用水和 通航运河供水的要求，大部分的土石坝为均质坝。 进入2 0 世纪，世界的筑坝中心从欧洲转移到了美国，为了开发干旱的西部1 7 州，美 国于1 9 0 3 年成立了垦务局，开始大规模的建坝蓄水，2 0 世纪3 0 4 0 年代，是美国建 坝事业和坝工技术发展的全盛时期，土石坝在3 0 年代随着太沙基土力学的开创，开始有 了定量的计算方法，坝高也升到了近1 0 0 米。 据2 0 世纪8 0 年代的国际大坝会议统计，截至1 9 8 6 年底，全世界共建1 5 m 高度以上 大坝3 6 2 3 5 座，其中土石坝2 9 9 7 4 座，占8 2 7 。在2 5 0 m 以上的9 座高坝中，土石坝5 座，占总数的5 5 6 ，其中前苏联建设的罗贡坝坝高3 3 5 m 和努列克坝高3 0 0 m ，居世界 首位；2 3 0 m 以上高坝1 5 座，其中土石坝9 座，占总数的6 0 ；世界上库容大于3 5 4 亿 m 3 的2 6 座大坝中，土石坝与混凝土混合坝1 8 座，占6 9 2 ；装机容量大于2 1 3 6 m w 大水 电站2 5 座，其中土石坝与混凝土混合坝为1 3 座，占总数的5 2 i l l o 世界土石坝得以迅速发展的主要原因大概可归纳如下： 西安理工大学项士学位论文 适用条件广。能广泛应用各种不同的地形、地质和气候条件，任何不良的坝址地 基和深厚覆盖层，经过处理都可以填筑土石坝。 可就地取材。由于近年设计、施工技术的发展，放宽了对筑坝材料的要求，几乎 所有的土石料都可以分区上坝，充分发挥就地取材的优越性，并为导流、泄水建筑物等大 开挖创造了条件。 经济效益好。由于就地取材，从而可以节省大量水泥、钢筋和木材，减少工地以 外的运输量，大幅度地缩短工期和降低造价。在工程规模相同的条件下，土石坝的土石方 量一般虽然比混凝土重力坝大4 6 倍，但其单价，国外仅为混凝土的1 1 5 i 2 0 ，有些 国家甚至降低到1 3 0 i 7 0 。经过分析论证，土石坝工程的综合经济指标比混凝土低得多， 造价最经济。 ( d 设计手段提高。由于岩石力学的理论、计算技术和测试方法不断发展，水平不断 提高，土石坝的设计理论和计算精度有较大的发展。 施工速度加快。由于大容量、多功能、高效率施工机械的发展，配套成龙流水作 业法连续施工，以及计算机自动化管理水平的提高，加快了施工进度，缩短了工期，也保 证了工程质量。 ( d 施工导流容易解决。随着筑坝技术的进步，解决了施工导流和大流量、高水头泄 洪等的难题。 ( d 抗震性能强。经过多项工程论证研究，高土石坝的抗震性能优于混凝土坝。 1 1 2 我国土石坝发展现状 我国利用土石材料筑坝蓄水灌溉农田历史悠久，建坝记录可追溯到2 0 0 0 年前。但土 石坝工程真正的发展兴盛是在新中国成立以后，建国后，为了发展农业，解决温饱，摆脱 贫困，开展了大规模的农田水利建设，全力修坝建库，到1 9 7 7 年，短短的2 7 年时间内， 平均以每年6 7 7 座的速度建成1 6 4 2 9 座大坝，使全世界的大坝数量翻了一番，随后又从 1 9 7 8 年到1 9 8 2 年，又以平均每年4 1 9 座的速度建成了2 0 9 5 座大坝，到1 9 8 2 年底，全 世界己建大坝3 4 7 9 8 座，中国则占一半，为1 8 5 9 5 座1 2 1 e 我国幅员辽阔，河流众多。据统计，全国大小河流总长度约有4 2 万k m ，流域面积 在l o o k n 3 2 以上的河流有5 0 0 0 多条，大小湖泊2 0 0 0 多个，多年平均径流总量2 8 万亿m 3 ， 居世界第六位，水力资源蕴藏量达6 8 亿k w ，其中可开发利用的约为3 8 亿k w ，是世 界上水力资源最丰富的国家之一。同时我国也是世晃上修建水工建筑物最多的国家，全国 境内已修建江河湖海堤防长度达2 6 万i o n ，已建水库有8 4 万余座，总库容4 7 0 0 余亿m j ， 这些水库大大增加了当地的防洪、抗旱和排涝能力，促进了工农业的不断发展，给国民经 济带来了很大的效益。 回顾我国土石坝的发展历程，大致可以分为三个阶段“。： 第1 幸绪论 第一阶段从1 9 4 9 年到1 9 5 8 年，这时正处于国民经济的恢复时期，百废待新，主要以 治水为目的修建了一些土坝。首先在淮河流域的永定河上修建了北京市官厅水库粘土心墙 土坝，在淮河流域修建了河南省石漫滩、白沙、南湾、板桥和薄山等水库，均采用土石坝， 其坝高都在5 0 m 以下，坝型多为均质土坝或粘土心墙砂砾石坝。由于施工机具的限制， 堆石坝没有得到发展。当时唯一的一座堆石坝是四川狮子滩工程，是混凝土重力墙式的人 工抛填堆石坝。 第二阶段从1 9 5 8 年大跃进开始至7 0 年代中期。全国各地掀起建坝高潮，高坝水库比 比皆是。很多坝高达到1 0 0 m ，坝型还是以均质土坝及粘土心墙或斜心墙的砂砾石坝为主。 由于大型施工机具的缺少，当时的大部分工程仍以人工为主。在这一时期，除碾压式土坝 以外，还因地制宣的发展了只需要少量机械的水中填土、水力冲填和定向爆破等筑坝技术。 在地基处理上，开始引用了混凝土防渗墙，可以有效的处理深厚覆盖层 第三阶段7 0 年代中后期以后至今，国家确立了以经济建设为中心的总方针，使我国 土石坝建设有了突破性的进展，坝高发展至2 0 0 m 以上，坝型以碾压式为主，高士石坝中 尤以土质心墙堆石坝和混凝土面板堆石坝为主要坝型。沥青混凝土及土工合成材料防渗材 料开始使用。土质心墙堆石坝已建成的有云南省鲁布革，河南省小浪底，拟建的有大渡河 瀑布沟。 1 1 3 我国堤防工程发展现状 堤防的分类标准不一，按所在位置可分为江堤、河堤、海堤、湖堤、防护堤和城市防 洪堤等；按堤防的填筑材料对堤防进行分类，主要包括土堤、卵砾石堤、砌石堤、混凝土 堤和土石混合堤。 我国很多城市和3 0 0 0 多万k m 2 农田都在江河的中下游，需要依靠堤防的保护。据统 计，我国堤防保护的耕地面积占总耕地面积的3 0 ，保护的人口占5 0 ，保护区内的农 业产值占全国产值的6 0 ，工业产值占全国的7 0 以上，虽然我国各大江河已初步建成 了防洪体系，具有一定的抗洪能力，但1 9 9 8 年特大洪水，仍受到严重损失，受淹面积6 6 1 0 k m 2 ，受灾人口2 3 亿人，直接经济损失2 6 0 0 多亿元。 我国堤防工程建设历史悠久，可追溯至战国时期，堤防工程是随着人口增长和经济发 展而逐步修建起来的。 新中国成立后，党和政府十分重视防洪工作，在积极安排防洪体系工程建设的同时， 加强了堤防工程的建设，1 9 5 4 年洪水后，逐步有计划的安排了各流域的堤防建设。至2 0 世纪8 0 年代全国已修建堤防达2 0 多万k m ，其中重点堤防5 6 l 万k m 。旺1 西安理工大学硕士学位论文 1 i 4 堤坝工程中存在的问题 由于受当时历史条件和生产力水平的限制，我国大部分堤防和大坝都存在着先天不足 和严重的后期老化闯题，主要表现在： ( 1 ) 我国现有水库与堤防多数是在“大跃进”时期兴建的，一些工程防洪标准低， 施工质量差，再加上管理工作跟不上，是导致形成病险水库的重要原因。据统计，由于大 坝防洪标准低和超标准洪水溃坝的，占3 7 3 0 0 o , , 5 1 5 0 ，由于工程质量差溃坝的占 3 5 9 一3 8 5 ：由于管理不善溃坝的占4 2 0 - - 1 5 。9 ，还有其他原因溃坝的占4 6 一1 1 3 。 ( 2 ) 病险水库加固迟缓。1 9 7 5 年8 月，河南大洪水后，病险水库问题引起各级领导 的重视，全国病险水库的加固有了一定进展。据不完全统计，自1 9 7 6 年到1 9 8 5 年完成大 型病险水库加固6 5 座。1 9 8 6 年以后，为了促进加固速度，水电部列出全国第一批重点险 库4 3 座，由中央补助投资1 3 以促进各地加快除险进度。到1 9 9 3 年底，已完成3 2 座， 还有1 1 座正在加固中。1 9 9 2 年水利部又列出第二批重点险库3 8 座，到1 9 9 6 年已动工2 4 座，正在做加固设计的1 0 座，还有4 座尚未进行设计。同时，各省也完成大量的中小型 水库除险加固。尽管在病险水库加固方面做出了一定的努力，但由于经费等方面的原因， 这项工作进展仍然缓慢。 ( 3 ) 技术、管理人员数量较少，导致水库长期处于无人或少人监测，不能及时发现 和治理水库所出现的病害险情，延缓了抢险时间；我国现有堤防多数处于无人管理状态。 随着运行时间的增加，诸如材料老化、洪水、地震，泥砂淤积以及其他破坏活动等，都有 可能增加工程事故和失事的机遇，如不能及时发现水库大坝或堤防出现的病险状态，延误 了抢险时间，所造成的后果将不堪设想。我国现有水库大坝在2 0 世纪末都进入了老龄化， 水库的安全问题与日俱增，必须充实水库技术、管理人员队伍，加强水库的运行管理。 ( 4 ) 堤坝工程不能实现良性循环，工程老化，效益衰减，安全问题严重。综合用的 水库，其中很大的一部分效益是防洪和农业灌溉。在防洪方面，主要是社会效益，国家又 无政策补贴；在灌溉方面，农业收永费规定标准较低，即使这样的标准，迄今有些省还未 能到位。实践证明，依靠农业水费，也难以解决工程的管理、大修和折旧三项费用。水库 管理单位无资金对工程进行维修，时间久了，工程自然老化，效益逐渐衰减，安全问题也 就日趋严重。 ( 5 ) 应重视小型水库和低标准堤防的安全管理。库容在1 0 0 0 万矗以下的小型水库 占总水库数量的9 0 以上，星罗棋布，遍及全国每一条中小河流上，同时在任何一条河 流上，都有规模不等的防护地存在。过去曾有相当一部分水库或大堤处于无人管理的状态， 由于溃坝失事，造成严重的损失。据最近统计仍有1 0 0 6 座水库，无人管理，仍然有些水 库，在建设时，没有严格经过审批程序；在投入运行后，又缺乏经常维护；在汛期中，防 汛工作也未严格执行行政首长负责制，又不具备安全检测手段。总之，这些小型水库一般 保坝标准低，设计、施工遗留问题多，管理工作不善，防汛工作差。 第1 章绪论 1 2 堤坝工程事故统计与分析 堤坝工程破坏型式主要可分为洪水漫顶、渗透破坏、滑坡以及其他破坏等。洪水漫顶 是由堤坝高度不达标、坝体泄洪能力不够或超标准洪水造成的，主要涉及工程等级的确定、 设计洪水频率、堤坝高度以及设计洪水位的计算等问题。而堤坝渗流破坏的内部因素主要 与堤坝地基和自身的材料特性有关，如坝基及坝身填筑材料的级配、孔隙率、粘粒含量、 干密度、饱和度以及渗透系数等条件有关，这些条件直接决定了土坝渗流速度。根据达西 定律，渗流系数越大越容易发生渗透变形，由砂土、砂壤土等渗透系数较大的材料构筑的 土坝较粘土、壤土构筑的土坝容易发生渗透变形，强透水性土基比弱透水性土基更容易发 生渗透变形和渗流破坏。影响坝坡稳定的主要因素为边坡条件和库水位的变化，内部因素 包括土体的组成、土体的物理力学性质、渗透特性等因素。外部因素主要为高水位作用、 库水位变化和降雨影响，高水位和降雨均会引起坝内浸润面抬高，土坝被地下水长期浸泡 后，土体饱和，有效应力减小，抗剪强度降低，易引起边坡失稳破坏。库水位的急剧变化， 饱和土体的孔隙水压力消散速度较慢时很容易引起迎水面边坡失稳破坏。此外，土坝的位 置、坝体断面形式、土坝存在的坝身裂缝、生物洞穴和人为空洞等隐患都对土坝边坡稳定 有一定的影响。 1 2 1 堤坝工程事故的统计 a 世界土石坝事故统计n 1 美国大坝委员会在7 0 年代和8 0 年代进行了两次全面的事故调查。截止1 9 7 2 年1 2 月底的重大事故案例3 4 9 宗，其中属土石坝2 4 9 宗，占总数的7 1 3 ，包括溃坝5 2 宗。 当时美国已建土石坝3 8 9 6 座，相应事故率6 4 。1 9 7 3 年1 9 8 5 年底大坝事故2 5 8 宗， 其中属土石坝2 0 1 宗包括溃坝1 3 宗 截止1 9 8 8 年，世界范围内( 不包括中国) 大坝事故统计分析简要结果如下： ( 1 ) 按坝型统计，土石坝溃坝数量最多。土石坝溃坝总数占总溃坝数量的7 0 。但从另 一个角度分析表明，土石坝溃坝数量较大与土石坝的建坝数量基数大是分不开的。 ( 2 ) 将土石坝的溃坝数划分成1 9 5 0 年前后两个时段统计分析，则明显表现出1 9 5 0 年 后建成坝的溃坝数量明显减少，有力地说明了土石坝技术随时代发展的进步。 ( 3 ) 按坝高度统计，7 0 的溃坝高度在3 0 米以下。 ( 4 ) 按溃坝原因分析。洪水漫顶始终是土石坝的主要溃坝原因，占总数量的3 9 ，其 次是渗流破坏，占3 0 。其中有与坝体渗透引起破坏的占1 8 ，由坝基渗透引起破坏的 占1 2 。 b 我国土石坝事故统计 我国溃坝失事的统计先后进行了三次。1 。 西安理工大学硕士学住论文 ( 1 ) 1 9 5 4 1 9 6 1 年底的失事坝5 3 2 座，其中库容l 亿m 3 以上的8 座，占当时大型水 库的3 5 ；库容1 0 0 0 万m 3 l 亿m 3 的中型水库7 6 座，占当时中型水库总数的5 5 ； 库容1 0 0 0 万m 3 以下的小型水库4 4 8 座。 ( 2 ) 截止1 9 8 0 年底，全国水库溃坝共2 9 7 6 座，平均溃坝率为3 4 其中大型水库2 起，占现有大型水库的0 6 ；中型水库1 1 7 起，占现有中型水库总数的5 1 ，小型水库 2 7 9 7 座，占现有小型水库总数的3 7 。 在溃坝总数中，发生在运行期的占7 4 ，发生在施工期的占2 6 ，全国平均每年溃 坝1 1 0 起：其中数量最多是在1 9 7 3 年，为5 5 4 起：最少是在1 9 8 0 年的6 3 起。 在溃坝总数中，土石坝最多，达2 9 2 5 座，堆石坝1 7 座，而混凝土坝只有l 座。土石 坝破坏中坝体破坏粘2 5 8 6 座，占总数的8 6 9 。 ( 3 ) 截止1 9 9 1 年水利部水利管理司统计全国水库失事概况如下： 按水库类型统计，小型水库占总水库的9 6 5 8 ，而小型水库溃坝数由占总溃坝数的 9 6 2 1 。说明大坝安全的重点在于小型水库的坝的建设与安全。 按坝高统计，坝高小于1 5 m 的为1 6 6 2 座，大于1 5 m 的小型水库溃坝1 2 7 1 座。其中 1 5 m 3 0 m 的1 1 7 3 座，占9 2 。3 ；3 0 m 5 0 m 的9 8 座，占7 7 。我国尚无坝高超过5 5 m 的溃坝纪录。 按溃坝发生阶段统计，7 6 溃坝发生在运行阶段，2 4 发生在施工阶段。大型水库并 无施工期溃坝记录，但中型水库则相反，施工期溃坝数量占总数的5 8 ，小型水库则都 在运行期失事。 按事故原因统计，包括洪水漫顶、设计施工质量差、运行管理不善、l i 盎危扒口、泄洪 设施失效等。其中设计施工质量差主要表现在坝和地基的渗透稳定性不足。 c 我国堤防工程事故 根据破坏失事的调查统计，大多数的堤防失事源于渗流破坏，占堤防破坏总数的4 5 之多。长江流域的堤防仅在2 0 世纪就因洪水期的渗透破坏造成多次灾难性后果，如1 9 3 1 年，长江干堤决口3 0 0 多处，死亡1 4 5 万人：1 9 5 4 年，长江干堤决口6 0 多处，受灾人口 1 8 0 0 多万，死亡人数达3 3 万之多，汉江平原以及岳阳、黄石、九江、安庆、芜湖等城市 均受水淹，京广铁路中断1 0 0 多天；1 9 9 8 年的长江、嫩江流域洪水，死亡人数逾万，其 中，长江九江段干堤决口，许多沿江城市和交通干线受淹受阻，直接经济损失令人触目惊 ，心。 1 2 2 堤坝工程渗透破坏形式的分析 大坝的渗漏包括坝体渗漏、坝基渗漏、坝肩绕渗、溢洪道渗漏、输水洞渗漏等其它附 属结构的渗漏，对于附属结构的渗漏问题在工程中多表现为接触冲刷哪。 由于渗透破坏的土石坝例子很多，不胜枚举。如美国提堂( t e t o n ) 坝的溃决，方坦 第1 章绪论 奈尔( f o n t e n e u e ) 坝的渗透破坏，我国北京西斋堂坝、河北邱庄土坝的坝基渗漏，广西 澄碧河土坝坝体渗漏等等。 在国内2 4 1 座大型水库发生l o g o 起事故中，由于渗漏、管涌、塌坑而造成的事故共 计3 4 2 起，约占统计事故的3 4 2 ，足见渗透对土石坝破坏的影响。 坝体和坝基的渗流控制是保证土石坝安全的一项重要措施，由于填筑土石坝的土料和 坝基的砂砾是散粒结构，颗粒间存在大量的孔隙，都具有一定的透水性。水库蓄水后，在 水压力的作用下，水流必然会顺着坝身土料、坝基土体和坝体两岸地基中的孔隙渗向下游， 造成坝身、坝基和绕坝渗漏。 土石坝渗漏，一般可区别为正常渗漏和异常渗漏t 9 1 正常渗漏一般渗漏量较小，水 质清澈可见，不含土壤颗粒，对坝体或坝基不致造成渗透破坏；异常渗漏，则往往渗流量 较大，比较集中，水质浑浊，透明度低，使坝体或坝基发生管涌、流土和接触冲刷等渗透 破坏。许多土石坝发生严重事故，就是由于异常渗漏发展而引起的。异常渗漏按产生渗漏 部位可分为：坝身渗漏，其渗漏的逸出点均在土坝的背水坡面；坝基渗漏，其渗流通过坝 基的透水层，从下游坝脚或坝脚以外覆盖层的薄弱部位逸出，造成坝后管涌、流土和沼泽 化；接触渗漏，其渗水从坝身与坝基或岸坡的接触面和坝体与刚性建筑物的接触面通过， 在坝后相应部位逸出；绕坝渗漏，其渗水通过大坝两端岸坡未挖除的坡积层、岩石裂隙、 溶洞和生物洞穴，而从岸坡下游侧逸出。 对己建坝，如何确定异常渗流及其危害是一个比较复杂的问题，首先要对坝址的工程 水文地质有比较充分的了解，坝的设计及施工完善程度也与渗漏有密切的联系，可是由于 地质勘探的有限钻孔只能揭示坝址地层的有限情况，局部的弱点，例如节理、裂隙、溶洞、 断层及强透水带的情况往往难以弄清；另外坝的防渗体和排水设施设计的正确程度，以及 施工质量难以达到的理想境界，由于施工而引起的渗流薄弱环节更非人们所能预料。同时， 在了解掌握了坝址的情况后，还要对发生异常渗漏的原因进行分析，做到具体问题具体分 析，对渗漏采取正确、有效的防渗措施。土坝的渗漏破坏，如抢救不及时，将会导致溃坝 失事，给国家经济建设、工农业生产和人民生命财产带来重大损失，甚至严重灾难。 ( 1 ) 坝身渗漏 坝身渗漏主要表现为：土坝分层填筑时，土层太厚，夯压不均匀，致使上部密实，下 部疏松，形成集中水平渗漏带；蓄水后，坝后坡出现集中渗漏或大面积泉点分布的明流散 浸；坝身土料被渗水带走，形成塌坑；排水体失效，迫使浸润线抬高，渗水从排水体上部 逸出；填筑土层厚薄不均，坝体上升速度不一致，相邻段有渗压的松土带 当坝体上出现集中水平渗漏带和相邻段有松土带时，将成为渗透水流集中冲击的软弱 带，随着时间的推移，坝身土料会被渗水带走，坝身土料被渗水带走直接导致坝体形成塌 坑，大坝本身的结构和稳定性就会遭到破坏，产生渗透变形，坝身土料被渗水带走的越多， 形成的塌坑越大，严重的将导致坝坡失稳，如不及时采取措施最终将导致垮坝：在浸润线 抬高后，渗水将从排水体的上部逸出，坝后坡出现集中渗漏或大面积明流散浸，随着时间 西安理工大学硕士学位论文 的增长渗漏量会越来越大，在坝身的土层之间很容易形成流土，造成排水体失效，渗水对 坝体产生冲刷，慢慢发展至带走坝身土料，形成流土，造成渗透破坏，f 恧样的如不及时处 理最终也会产生渗透破坏；坝体裂缝在渗水的冲刷作用下会逐渐增大，渗透量也逐渐增大， 相互促进，产生恶性循环，当渗水从清变浑时坝体就意味着已经产生渗透破坏，应及时采 取措施。 设计考虑不周和施工质量差均会导致坝体产生渗漏。 设计方面如均质土坝坝坡过陡或反滤排水体位置等设计不当，浸润线在坝的背水坡反 滤排水体以上出逸：复式断面土坝的粘土防渗体与下游透水坝壳之间，缺乏良好的反滤层， 使防渗体遭到渗水破坏；粘土防渗体土料选择不当，防渗性差；埋于坝身的涵管等附属结 构，由于本身强度和基础变形考虑不周而断裂，有压水流通过裂缝沿管壁及坝坡薄弱部位 渗出。 施工质量方面包括坝身分层、分段和分期填筑时，层与层、段与段以及前期与后期之 间的结合面，没有按照施工规范要求去做，以致结合不好；土料含水量过大，有土块、冻 土块、含有机物土体上坝，填土层过厚，碾压不实或漏压，有松土带存在；建造反滤排水 体时，由于没有按照设计要求选用反滤料，或层间材料铺设混乱，甚至被削坡的弃土堵塞， 或因下游洪水倒灌带来泥砂及有害物质( 如铁锈水) 而淤塞，造成坝后排水体失效，迫使浸 润线抬高，渗水从排水体上部逸出。 除设计、施工方面原因外，如白蚁、鼠、灌、蛇等动物在坝身打洞营巢，往往也是造 成集中渗漏的主要原因，其中以白蚁危害最为严重，例如1 9 9 8 年汛期江西九江段长江大 堤溃口就是由于白蚁洞穴引发。 ( 2 ) 坝基渗漏 坝基渗漏会有以下几种表象形式：坝坡下游面散浸，出现泉点，坡面局部沼泽化；出 现集中渗漏点，并在坝下游处有涌泉状渗出，且有水流形成；在基岩渗漏条件较为复杂的 地区，沿溶洞、溶槽及裂隙有地下水渗出；坝后出现砂沸现象；在岩溶和裂隙发育的地层 内，渗水会从相邻的山体渗出，形成绕渗。 坝基渗漏的基本表现形式的差异，其发展过程也有所不同。坝后坡出现沼泽化后，随 着渗水的增大，沼泽化会越来越严重，出现流土，坝坡产生渗透破坏；随着库水位的上升， 渗漏量逐渐增大，渗水范围也逐渐增大，最高出水点的位置也随之升高；由坝基渗漏引起 的绕渗，发展下去会在坝基与两岸山体闻形成渗漏通道，使水库渗漏加剧，库水位下降， 水库不能正常蓄水，影响正常效益的发挥；砂沸一旦产生，随之而来的就是管涌，管涌使 大坝发生渗透破坏，如不及时采取措施，管涌严重了很快会导致溃坝。 坝基渗漏的原因是多方面的，勘查、设计、施工任何一个环节都可能导致坝基的渗漏。 在勘测、设计方面主要包括以下几种情况：坝址的地质勘探工作做的不够，地层结构 摸的不清，导致设计时不能采取有效的防渗措施；坝前的水平铺盖长度不够或厚度不足， 垂直防渗深度未达到不透水层或未全部截断：粘土铺盖以下为湿陷性黄土，孔隙比大，不 第1 幸绪论 均匀沉陷，产生裂缝漏水；粘土铺盖与强透水地基之间，未设很好的过滤层，使铺盖在渗 透压力作用下，被破坏漏水；利用天然粘土铺盖，但对土层厚度了解不够，局部厚度不足 或干容重过低，未做补强或碾压处理。 施工中水平铺盖或垂直防渗措施施工质量未达到设计要求，起不到应有的防渗效果； 坝基或两岸岩基上部的冲积层未按照设计要求彻底清理，强风化层或破碎带清除不彻底或 回填夯压不实；由于施工管理不好，在库内任意挖坑取土，天然铺盖局部被破坏，而失去 防渗效果。 水库在运行期间，如管理不当同样会导致坝基的渗漏：如库水位降落太低，河滩部分 粘土铺盖暴晒干裂；坝后减压井或排渗沟养护不好，发生堵塞失效，使渗水无法及时排除； 在坝后任意挖坑取土或在高水位时钻孔造成的人为的渗漏破坏。 ( 3 ) 坝肩绕渗 绕坝渗漏主要表现为：由于山体岩石的不完整，存在节里面等破碎软弱带，成为水流 的主要通道，在坝头与山坡相接处背水坡漏水，下游沿坡脚出现成股的渗透水流；由于心 墙伸入两岸山体的距离不够或者帷幕的深度不够，不能有效的截断水流，导致心墙或帷幕 边缘发生绕渗，出现渗漏。 绕坝渗漏一般是因为坝的两端山包较单薄，且有砂砾和卵石透水层或坝的两端山包岩 石破碎，节理发育；也有可能是由于施工取土或其他原因等破坏了坝两端的天然覆盖层； 生物洞穴或植物根茎腐烂后形成的孔洞等造成。 以上缺陷，在施工时没有处理或处理不彻底，而造成了渗漏，出现渗漏后，如不及时 采取措施，岸坡部分坝体的浸润面和坝基扬压力被抬高，在坝体和岸坡的接触面上可能产 生接触冲刷，若两岸山体单薄、陡峭、土料抗剪强度低，如有软弱夹层，且透水性大，则 水库蓄水后，绕坝渗漏可能引起滑坡，危及大坝的安全。 “) 接触渗漏 接触渗漏的发生会表现出坝头与山坡接头处的背水坡漏水；坝体与基岩接触面出现渗 水；下游靠近接合部位处湿润软化，草的颜色变深；下游浸润线抬高等 9 1 。 发生接触渗漏多是由施工质量问题导致，如：坝基底部清理不彻底，未浇混凝土进行 基础固结灌浆；截水槽下游反滤层未做好，接触部位回填质量差；坝的两岸山坡未能很好 清基，接合山坡过陡，局部未认真处理，或没有做防渗齿槽，基岩面未浇混凝上进行固结 灌浆，坝体与山坡接合面处回填土夯压不实，甚至有松土堆积；涵管和闸墙等混凝土或浆 砌石建筑物与土坝坝体接合处未做截水环、刺墙等止水措施，施工回填夯压质量差，造成 渗水通道 由于接触渗漏大都发生在两种材料接触面处，随着时间的推移，渗流量增大，渗水不 断冲刷接触面，致使接触面上的土颗粒被带走，产生剥离，形成渗透破坏；剥离发生后， 接触面的坝体土料不断被渗水带出，坝体将产生渗透变形，最终导致溃坝。 ( 5 ) 小结 西安理工大学硕士学位论文 从渗透破坏和边坡失稳的机理分析来看，无论何种破坏方式，水荷载均是土坝最基本 的荷载，是影响土坝安全最重要的外部因素。 洪水的作用会影响到坝基和坝身的渗流安全，同时，坝身土体长期浸泡在洪水里会出 现软化，也会影响土坝的稳定性。在汛期高水位作用下，坝基和坝身渗流加大，这是产生 渗流破坏的动力，是土坝发生渗流破坏的主要外部因素。另一方面，库水位骤降，又往往 是引发土坝上游坝坡失稳的主导因素。 高水位对土坝的作用主要表现在以下几个方面：一是在高水位作用下，渗透压力较大， 坝体内部土体从一点一粒的流失破坏到逐步扩大穿通，最终造成塌陷而溃决，如管涌与渗 漏等；二是库水冲刷坝坡，造成护坡破坏。大块士体洗刷剥离破坏，逐步扩大加