水库土坝渗流稳定分析及除险策略

郭华健

（兴义市顶效围山湖自来水公司）

水库土坝渗流稳定分析及除险策略

郭华健

（兴义市顶效围山湖自来水公司）

作为我国水利工程中的各坝型应用最为广泛的一种，水库的土坝坝基、渗流的稳定性及其计算分析是一个非常重要的课题。根据相关资料的显示，水库土坝渗流问题引起了许多问题，我国存在的大量的病险水库，对人民的生活生产造成了严重的威胁。水库土坝渗流稳定分析是作为确定水库大坝剖面的设计以及坝体安全评判的重要依据。只有对土坝渗流的稳定性做出正确的分析计算，提出合理可靠的除险策略才能发挥其效益，造福于社会。

水库；土坝；渗流；稳定；除险

前言

近些年来，我国每年都对现有的水库土坝进行了安全鉴定，并且对病险水库进行了除险加固。然而，在对病险水库的进行加固工作的同时，也需要对水库土坝的渗流稳定性进行分析与总结，从而更好地为今后土坝的安全鉴定、除险加固及其设计、施工和管理等方面提供完善的资料。本文介绍了水库土坝的渗流问题可能对土坝造成的危害，并且针对土坝存在的问题，提出了合理可靠的除险加固措施。

1 土坝的渗流的概念

水库土坝渗流通常指的是水体向围护区之外的地方渗流，从而出现的水量流失的现象。如果土坝的渗漏量过大，将会使得水库的效益显著的降低。而由于渗流所在的渗流场的不同，又可以把渗流分成两种：饱和渗流以及非饱和渗流。同时根据渗流的水头、速度以及水利梯度，渗流可以被分为稳定性渗流和非稳定性渗流。而从渗流发生的机理角度来看，渗流可以分为流土、管涌、接触冲刷以及接触流土这四种类型。

2 土坝渗流的原因

水库土坝渗流的原因主要是两方面的：自然原因和人为原因。自然降水、地表水位的变化会对地下水的径流、排泄条件及其补给产生不利的影响。随着地表水的入渗，水库土坝遭到渗浸，水库土体的抗剪强度由此也降低了，坝体内将会发生渗流现象。同时，渗漏、超压、滑动、不均匀沉陷等各方面的原因都会对水库土坝正常运作造成大大小小的影响。水库土坝的土基、地基以及岩基建造的质量也对坝基渗流的破坏程度的高低有着直接的影响。不够完善的土坝防渗措施，不仅会影响水库的蓄水能力，而且还会威胁水库的安全。

3 土坝渗流的影响

水库土坝的渗流对土颗粒接触面造成了压力和浮力，并且渗透水流的浮力及其拖拽作用也对土颗粒的骨架本身有影响。这些因素都会直接影响到土坝的稳定性，更有甚者，本来安全的土坝也会在渗流的作用下而失去稳定，从而发生边坡表面垮塌等现象。当土坝内发生了渗流以后，可以发现最大塑性的应变区域显著地向大坝外侧的坡脚处（即渗流的出口处）接近，而且和没有渗流时相比，其塑性应变区域明显增大了，这表明土坝容易在渗流的作用下被破坏。由于沿浸润面切线的方向作用的渗透力，土坝边坡向外向下的滑动力被加大了，导致渗流的出现降低了土坝的稳定系数。有相关资料显示，在被破坏的土坝中，其中40%是因为坝基和坝体土的渗流造成的。同时，我国调查有问题的土坝，发现由于渗流引起的竟然高达60%。此外渗流还造成了水库的防洪堤及其边坡的坍塌，供水井、减压井和坝基的排水孔的淤塞，基坑开挖和地下工程施工中遇到流砂，断层破碎带、裂缝和软弱夹层中的松散物质带出等问题。

4 土坝稳定性的分析方法

通过使用有限元迭代对渗流场进行分析，可以求出浸水后的土坝的各单元的渗透力。采用有限元法对水库土坝的稳定性进行分析时，采用理想弹塑性模型作为土体模型，使用服从Drucker-Prager准则的本构关系。当使用有限单元法分析对土坝进行分析时，不仅满足了力的平衡条件，还考虑到了材料的应力应变关系，从而能得到更精准合理的计算结果。采用强度折减法来计算稳定性系数，它的基本原理就是将土坝的土体的强度参数c、准同时按照式（1）和式（2）进行折减：

在一组新的强度参数c′，准′得到后，把有限元程序代入后进行计算，如果计算结果是收敛的，就增大K的值，再把其代入计进行算，直到计算结果刚好不收敛了，那么此时所得到的K值就是边坡的稳定安全系数Ks。

5 水库土坝的除险策略

5.1采用背水侧压渗盖重，尽量避免管涌

在背水侧地型条件的允许下，并且使用封闭式的垂直防渗幕墙的造价又太高的时候，通过背水侧压渗盖重的使用，能够有效避免压盖范围以内出现管涌现象。当被计算出的后盖宽度很长的时候，可以通过在其后盖末端设置减压井来缩短后盖的宽度。而且压盖在实际的应用范围比较广，施工起来比较简单，堤防的稳固性也相对比较好，工程投资相对较少。再加上压渗盖重的形式多样，能够从不透水的换成到可以完全自由排水的，实践中可以按照各自的实际情况，通过不同形式的采取，来实现渗水但是不渗土的目的。

5.2 采用渗透破坏加固方法

渗透破坏加固方法通常是使用在水库土坝的坝基和坝体的遇到渗流问题的时候，以防止水库上下游发生渗流的现象，从而提高水库土坝的抗渗透能力。运用了防渗加固的方法以后，同时还需要利用一些其他的防水措施，例如褥垫排水和棱体排水的措施，土坝的坝体内使用竖向和水平的排水层、排水沟、减压井等排水的设备，可以有效地消除水库上游的漏水现象，从而降低下游坝基的水头及其浸润线。而只从渗流计算的结果来看，减压井的效果十分显著，能够有效防止管涌起到除险的作用，它几乎能适用所有的管涌堤基相关的除险。

5.3 采用垂直防渗处理地基的方法

在地基透水层比较薄、隔水层比较浅的情况下，适合采用垂直防渗处理地基的方法，它可以通过封闭式的防渗幕墙的作用，来有效地控制堤基的渗流量，由此达到从根本治理堤基渗透破坏的效果。对于透水层比较厚，隔水层比较深的双层堤基，由于在采用封闭式垂直防渗墙的施工难度过大而且造价过高，要在具备充分的勘察资料而且充分论证了经渗流计算后才可以使用。垂直防渗墙应该安置在临水堤脚下或者堤顶靠临水的一方。可以采用射水法、锯槽法、轮铣法、高喷灌浆等方法对垂直防渗幕墙进行施工。

5.4 采用裂缝加固的方法

在水库土坝的各种灾害中，最为广泛的一种灾害就是产生裂缝，一般情况下，裂缝多发于水库蓄水运作的阶段，甚至有些裂缝产生在土坝坝体的表面，部分裂缝隐藏于土坝的坝体内，只有开挖了土坝，才能发现隐藏于内的裂缝。治理土坝裂缝应该按照观察的情况和相关资料，对裂缝产生的部位以及规模进行判断，对裂缝产生的原因进行准确的分析，有针对性实施措施，及时处理好问题。裂缝加固的方法通常有开挖回填和裂缝灌浆两种。

5.5 使用滑坡加固的方法

如果滑坡问题出现在水库土坝中，就需要对它进行地质勘查，并且做好相关的试验工作，正确分析滑坡产生的原因，并根据“削坡减载，固脚压重”的滑坡清除原则，尽量减少土坝的滑动力同时增加其阻力，依此对水库土坝实施加固设计。水库土坝的滑坡通常是由水流冲刷、土坝内部的渗水作用或者是上部压载过重等原因造成的。在这种情况下，通常是采用土坝中的主动滑动段来减重和采用在滑坡体前缘抛石来固脚的方法。而对于由渗透作用造成的滑坡，必须要采取“前截后导”的措施，把防渗和排水的作用加强。对于浅层的滑坡一般可以挖出滑动体中的主滑体，并进行重新回填。

6 结论

本文通过分析表明：当水库土坝出现渗流的时候，会降低土坝的稳定性。因此，在实际施工中我们应该充分考虑渗流会对水库土坝的稳定性可能造成的影响，同时要做好防渗措施，及时了解水库土坝的状况，及时发现并且处理问题，消除安全隐患。总之，要切实做好管理工作，最大限度的避免事故发生，充分发挥水库的社会效益和经济效益，保护人民的生命财产安全。

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2016-5-12

郭华健（1984-），男，助理工程师，大专，主要从事水库管理工作。