坝基渗漏问题分析

6.坝基渗漏问题分析6.1概述6.2松散土体坝区及坝基渗漏稳定问题6.3裂隙岩体坝区及坝基扬压力问题6.4坝体渗漏数值模拟分析6.1概述与其它建筑物不同，坝的建设除要考虑地基强度和变形等一般性问题以外，还要特别考虑水的渗漏问题。当水库蓄水后，在坝体上下游水头差的作用下，库水可通过坝下和坝肩部位透水的岩土体产生渗漏。一般称坝底下的渗漏为坝基渗漏，称坝肩部位的渗漏为绕坝渗漏。坝基和绕坝渗漏的结果，首先会影响水库的蓄水效益，严重的渗漏使水库大部或全部丧失效益；其次是渗流产生的压力会对坝体的稳定带来不良影响，表现在扬压力和动水压力两个方面，前者减小了重力坝的有效应力而不利于抗滑稳定，后者对岩土体的冲刷，产生坝基渗透变形，也不利于坝体稳定。潜在的渗漏通道深厚覆盖层上建坝：在松散沉积层中，固体颗粒骨架（砾、卵石、砂等）颗粒之间通常存在着彼此连通的孔隙。沉积物的粒径越大，级配越差，紧密度越低，孔隙的直径和透水性也就越大。深厚覆盖层为典型的多层含水结构。岩基上建坝：由于受地质构造活动、浅表生改造（风化、卸荷，以及冲刷、剥离、溶蚀等）作用，在完整岩石中，将出现不连续体——裂隙。一般说来，岩性愈脆，构造作用愈强烈，则裂隙愈多，透水性愈强。受张拉和剪切作用的部位(如背斜岩层及其轴部)比受挤压作用的部位(如向斜岩层及其轴部)裂隙的宽度相对较大。某些极易风化的砂岩和火成岩，往往具有较多、较大的裂隙。一些可溶性岩石(石灰岩、白云岩、石膏和盐岩)如再遇上较严重的构造断裂，经常会形成巨大的落水洞、溶缝、溶洞或地下暗河。以往大坝失事的经验教训

有许多研究者，对世界上所发生的大坝失事原因进行过分类统计。

H·布莱德的统计表明：由坝基原因造成的失事占33％，另有坝坡滑动造成的失事占9％～10％。估计这两种情况的失事都与渗流有关，因此可把它归并为渗流原因，约占42％～43％。土坝失事率比混凝土坝高得多；1940年以前失事的较多，以后显著减小。这与建坝技术的发展提高有关。混凝土坝土坝C·卡鲁斯夫统计：从1900年起，混凝土坝失事的原因有70％与坝基有关，只有30％与坝体有关。对82座混凝土坝的失事进行了分类统计，由于地基渗透、排水系统失灵和与扬压力有关的共51例，占62.2％；由于大坝产生裂缝，沿地基滑动和由水流冲刷引起塌方、滑坡的共31例，占37.8％。T.A米德尔布鲁克斯对200座土坝的失事进行分类统计，由地基渗流造成的破坏占25％，另有滑动破坏占15％。前西德《水利》杂志1981年第7～8期上载文，对67座当地材料坝的失事原因作了分析统计，直接毁于渗流淘空的有21例，占31.3％。从以上专家所作的分类统计可以看出，由渗流问题造成坝的破坏占有相当大的比例，至少占失事坝的40％以上。

土石坝渗流破坏的主要形式(1)因渗流量大造成的冲刷破坏——管涌这类事故在土石坝中发生的最多，是铸成土石坝失事率远高于混凝土坝的主要原因。在土石坝中容易产生冲刷破坏的原因可以归结为两点：①在这类坝中有较多的机会产生较大的渗漏；②这类坝基和坝体都十分害怕冲刷。破坏的表现形式是大量的渗漏、冲刷或管涌。（2）孔隙水压力高造成的破坏——滑动土石坝破坏的另一表现形式是大块坝体、岸坡或坝基的坍塌或滑移，然后才有大量漏水。造成此种破坏的原因，除了因在坝基内有不利的结构面以外，最主要的是防渗结构布置不合理，使渗流在坝基或坝体内形成了过高的地下水位即孔隙水压力(在坝体内主要表现为浸润线过高)所致。导致孔隙水压力抬高的原因，与其说是渗漏，不如说是排水不良。渗透过来的水在其流动过程中如果受到阻碍，使其不能通畅地流走或排出，即使渗流量很小，它也会越积越多，以致在地基或坝体内形成与库水位有时相等的水压力。在地基内孔隙水压力和坝体浸润线均较高的情形下，如遇到强烈振动(如地震)，就有可能造成土料液化，抗剪强度剧减，引起事故。过去，有许多坝是在长期高水位蓄水、连续暴雨和发生地震时遭到破坏的。由此，向人们提示：防止坝基和坝体内的孔隙水压力过分升高，也是土石坝的渗流防护重点之一。岩基混凝土坝渗流破坏的主要形式上述国内外部分渗流量较大的大坝，大都是建在岩溶发育的可溶性岩基上，空旷的溶洞和裂隙由于未得到堵塞而导致了大量漏水。然而，尽管它们的渗流量很大，降低了水库的经济效益，却未酿成大坝的毁坏。至今还很少见到过哪一个大坝是因渗流量太大招致失事的实例。这说明，基岩中的渗流量大，并不一定能对混凝土坝的稳定造成致命性危害。与此相反，我们却能找到坝基渗漏量很小，却发生失事或事故的大坝。仅举几个发生在近期而又著名的事例。(1)法国的马尔帕塞(Malpasset)拱坝。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坝。直到最近，才对该坝的失事原因有了比较一致的认识：“该坝的破坏，是由坝体自重压力引起基岩压缩，使渗透性降低，从而使坝基承受了几乎预想不到的(孔隙)水压力造成的”。(2)梅山连拱坝。高88.3m，长545m。1956年蓄水，1962年11月6日在右坝肩13号～16号坝段拱台上突然出现10条裂缝，最长的达24m，宽6.5mm，沿裂缝严重漏水，坝座岩体发生了明显位移。同时，一个未封填好的固结灌浆孔向外喷水，水头高达31m。随即采取了紧急放空水库的措施，才避免了严重事故的发生。事后由该坝设计人员编写的《梅山水库坝基稳定条件的分析》一文中说：“由于坝的厚度不大，过去一般认为可以不设排水。实践证明，在梅山的特定地质条件下，坝的扬压力可以达到相当大的数值，破坏坝基，影响大坝安全。故在设计时必须重视扬压力的作用，设置必要的排水”。这些事例说明，对于建筑在岩石地基上的混凝土大坝，必须将防止出现过高的孔隙水压力，作为防止产生渗流破坏的重点。仅仅减小渗流量并不一定能防止出现高的孔隙水压力。6.2松散土体坝区及坝基渗漏稳定问题控制松散土体坝区渗漏的地质条件是多方面的，主要有：土体的成因类型、物质成分、地层结构及其空间分布特点，也与其沉积时代及地貌特征等有关。6.2.1松散土体渗漏条件的地质分析6.2.2坝基渗漏稳定问题凡有渗流就有渗流动水压力，此压力达一定值时，土中的某些颗粒就会被渗透水流携带和搬运，这种地下水的侵蚀作用称为潜蚀。潜蚀应包括化学潜蚀和机械潜蚀。前者是土石中某些可溶组分被渗透水流溶解和搬运，这在含有可溶组分的土石中极为常见；后者为不溶颗粒被渗透水流带走，也是经常发生的。潜蚀使土石结构变松，强度降低，这样一种变化可以称为土石的渗透变形(seepagedeformation)或渗透破坏。强烈的渗透变形会在渗流出口处侵蚀成孔洞，孔洞又会促使渗透途径已经减短、水力梯度有所增大的渗流向它集中，而在孔洞末端集中的渗透水流就具有更大的侵蚀能力，所以孔洞就不断沿最大水力梯度线溯源发展，终至形成一条水流集中的管道，由管道中涌出的水携带较大量的土颗粒，这就是管涌(piping)。可见，它是潜蚀强烈发展而出现的一种特有的不良地质作用，往往形成地质灾害。(1)坝基渗透变形的形式(A)管涌：是单个土颗粒在渗透作用下独立移动的现象。管涌一般发生在不均粒系数较大的砂砾层中，它既可以发生在地下水逸出段，又可能发生于土体内部粗粒骨架的孔隙中。当坝基土体的粗粒孔隙中能被携走的细颗粒含量较少时，并不影响坝体的稳定。而当坝基的细粒物质被渗流从粗粒孔隙中携走后，形成管道状孔洞，土体的结构和强度遭到破坏，造成地面塌陷时，即会危及坝体安全。黑龙江省龙凤山水库土坝坝基渗透变形是发展型管涌的典型实例。1960年5月底，坝前水深7.5m，下游坝脚外20m范围内开始普遍出现小泉眼，孔径3~5mm，并有淤泥颗粒跳动。当水深达12.3m时，涌水口增多，孔径达15cm，翻水带泥，渗流量达1m3/s。之后尽管降低库水位、用砂石镇压涌水洞口，险情仍在发展。最后上游找到了进水口，并用土袋堵塞，下游涌水才基本停止。(B)流土：在坝下游坡脚渗透水流逸出处，当其动水压力超过土体自重时，土体表层其一部分土粒在垂直土层的渗透水流作用下全部浮动和流走。随着条件变化，管涌也可转化为流土，龙凤山水库坝基渗透变形后阶段即属流土形式。山西省东榆林水库副坝溃决事故，是坝基流土所造成的。副坝为均质土坝，坝基地层为由亚砂土、粉砂土和砂质粘土等组成的多薄层结构。1979年2月蓄水1038.77m时副坝下游排水沟渗水增加，沟坡流泥。5月25日早晨，排水沟底部边坡集中渗出成股泥浆，出水口直径10~15cm左右，当晚水位1039.18m(水深4.18m)时坝体溃决，决口底宽150m。溃坝的原因是施工时从库内取土，破坏了渗透性较弱的表层亚砂土，而第二层透水性较强的粉砂土出露于坝下游排水沟边坡，致使库水沿上游的取土槽及坝脚附近以最短渗径向下游渗透，并将粉砂土携出，不断发展而形成管道状渗流通道。(2)产生渗透变形的坝基结构特征在单一结构型情况下，若为砂卵(砾)石层，一般地说会发生管涌型的渗透变形，而其强烈程度则取决于细颗粒的含量。若粗粒骨架孔隙中细颗粒成分较多，且能被渗流不断携走的情况下，多发生强烈管涌。在多厚层和多薄层结构型情况下，是否会发生渗透变形，主要取决于表层粘性土的性质、厚度和完整程度。如果粘性土较厚且完整，且抗剪强度较大，即使下层砂砾石的水力梯度较大，也不易发生渗透变形。如果粘性土较薄或不完整，则在坝下游当土层的某些部位自重小于渗流的动水压力时，粘性土层即被顶鼓，产生裂缝，以至冲溃、浮动，发生流土而形成破坏区，下层的管涌或流土可相继发生。如果下层砂砾石层由坝上游向下游逐渐变厚，由于过水断面变大而削减了动水压力，则不利于渗透变形的发生；反之，如果砂礁石层向下游逐渐变薄，甚至尖灭，则动水压力逐渐增大，有利于渗透变形的发生。表层粘性土的自重压力(若固结压密程度较高的话，还应考虑其抗剪强度)与动力压力的大小关系，是决定渗透变形能否发生的控制因素。(3)坝基渗透变形的预测坝基产生渗透变形的必要条件是地下水动力条件（水力梯度）和土石的粒度成分条件（坝基地层结构特征）。渗透变形预测是坝基渗透稳定性评价的主要内容。坝下游坡脚处系渗透水流逸出段，渗流方向由下向上，该地段最容易发生渗透变形，所以需重点预测坝下游渗透上升段范围内的渗透变形，只要该地段实际水力梯度超过了允许后，就可能发生渗透变形。预测的步骤是：(1)判定渗透变形的形式；(2)确定坝基各点(主要是下游坝脚处)的实际水力梯度；(3)确定临界水力梯度；(4)确定允许水力梯度；(5)划分出可能发生渗透变形的范围。实际水力梯度的确定是在查明坝基地层结构和渗透系数基础上进行的，方法较多，有理论计算、绘制流网、水电比拟等方法。确定临界水力梯度的方法也较多，有计算法、图表法和试验法等。对于流土，根据土的类型及其致密程度，可选择不同的计算公式。粘性土砂土砂砾石、砂卵石γ/、γω分别为土的浮容重及水的容重；tgφ、c为土的摩擦系数及内聚力；L为破坏面长度；η为不均粒系数。管涌由于处于粗颗粒孔隙中的细颗粒单独运动，受力条件比较复杂，同时土的颗粒组成、排列方式等也复杂多样，因此目前还没有理想的计算公式，一般采用图表法和试验确定临界水力梯度。渗透破坏梯度与细粒含量关系图渗透系数与临界水力梯度关系曲线确定允许水力梯度时首先要确定安全系数(m)。安全系数与地基土性质及建筑物等级有关。根据经验，一般对在固定水头差作用下发生连续管涌现象的危险性管涌土，选用安全系数2~3；而非危险性管涌土，选用安全系数1.5~2.5较合适。安全系数确定后，即可获得允许水力梯度I允：允许水力梯度参考值

允许水力梯度确定后，以实际水力梯度与之比较，若实际水力梯度大于允许水力梯度的话，是危险的；否则是安全的。6.3裂隙岩体坝区及坝基扬压力问题6.3.1裂隙岩体坝区