土石坝渗流问题与防渗加固措施研究进展

傅增斐 ，郜会彩

（1.浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室，浙江 绍兴 312000；2.绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000；3.绍兴市水利水电勘测设计院新昌分院，浙江 新昌 312500）

1 问题的提出

土石坝是最古老，也是最普遍采用的一种坝型，具有造价低、结构简单、对自然条件适应性强、抗震性能好、工作可靠、寿命长、施工管理简便等优点，因而被广泛采用；在我国已建大坝中90%以上为土石坝。

目前土石坝的渗流破坏问题比较严重，大量水库处于带病运行状态，土石坝的渗漏会影响水库的安全运行和防洪发电等各项效益的发挥，因此对土石坝的渗流进行研究十分必要。土石坝渗流问题的解决主要通过防渗加固措施，包括水平加固和垂直加固。水平加固 — 水平防渗铺盖的主要优点是施工工艺比较简单、工程造价低廉，比较适合小型水库低土石坝，但是其防渗效果一般，通常和其他防渗措施一起使用来提高防渗效果；垂直加固的防渗和截流效果远远优于水平防渗，应用更为广泛，但是由于垂直防渗截流工程投资较高，在一些小型工程中不适用。在选择加固措施时，需要通过对防渗效果、投资预算、施工条件等各方面进行考虑，从而得出一个最合理的方案；并且可以通过数值模拟来验证方案的防渗效果从而评价方案是否合理。

对于土石坝的渗流破坏和防渗加固，国内外学者已做了深入和细致的研究。本文总结分析国内外土石坝渗流分析与防渗加固方面的研究现状，并针对低土石坝渗流问题研究成果较少的现状提出需进一步研究的方向。

2 土石坝渗流问题研究

2.1 筑坝材料渗透性能研究

筑坝材料的性质是影响土石坝坝体渗流的重要因素，对筑坝材料各种性质的研究是土石坝渗流分析的重要部分，国内外学者一般通过实验的方式研究土石坝筑坝材料的各项性质。郭爱国等[1]认为当粗粒料较多时，粗粒形成骨架，细颗粒充填其中，砾石料的渗透破坏性质取决于粗颗粒的特征。当细颗粒达到一定含量时，将与粗颗粒共同参与骨架作用，粗细颗粒共同作用影响砾石料的渗透破坏性质；当粗粒含量较少时，粗颗粒悬浮在细颗粒中，土的渗透稳定性类似于细粒料，由实验得出结论：处于骨架颗粒孔隙中的细料比较容易在水流的作用下产生冲蚀，从而改变土料的渗透特性，但不会使骨架颗粒产生实质性变位影响坝料的整体稳定。蒋中明等[2]通过垂直渗透变形仪完成应力对含黏粗粒土渗透变形和临界水力坡度的影响研究，实验表明黏粒含量多少对粗颗粒土渗透变形特性和渗透破坏类型有明显影响：应力越大，试样产生渗透变形的临界水力坡度越大，荷载较小时，荷载大小与临界水力坡度大小成线性关系。并提出利用渗透系数与水力梯度关系曲线的突变关系来判断临界水力梯度的方法。彭家弈等[3]通过实验分析颗粒形状对粗粒土孔隙特质和渗透性的影响，结论是相同级配和孔隙率的情况下，渗透系数随孔隙比表面积的减小而增大，随颗粒圆形度的增大而增大，球形颗粒试样的渗透性最强。朱崇辉等人[4]通过试验发现：同类土体的渗透变形与土体的密度有关，密度越小土体越疏松，在渗透水流的作用下容易发生渗透破坏；渗透变形还与土体的粘聚力有关，粘聚力越大，土体间作用力越强，土体越稳定，越不容易发生渗透破坏。由于在之前的计算公式中没有考虑土体的级配和不均匀系数，所以朱崇辉等[5]认为用一个统一的与级配无关的模型公式表示级配复杂多样的粗粒土的渗透破坏坡降，从理论上本身就存在缺陷，故应当考虑粗粒土的级配对渗透变形的影响。他建议将级配特征相近的粗粒土进行分类研究，建立分段统一的渗透破坏坡降模型表达式，将级配特征参数引入渗透破坏模型公式中。李振等人[6]介绍黑河土石坝筑坝材料在各种组合情况下的渗透稳定性及其特点，并分析各种渗透势下的渗透变形机理，得到如下结论：试样细粒含量越高，抗渗强度越高；试样渗透性和反滤沙几乎无关；反滤沙能保护心墙土料不流失、冲刷，但反滤沙在渗流情况下结构不稳定。Didiek 等人[7]对实际渗漏的大坝填筑土体进行水力劈裂试验，并分析水力劈裂试验得到的三轴试验粘聚力与破坏应力之间的关系；试验结果表明，具有较大内聚力的土也具有较好的抗水力劈裂能力。柏树田等人[8]根据室内及现场试验资料，探讨软岩料的物理力学性质：软岩抗压强度低，压实层上部颗粒破碎较剧烈，粗颗粒间的孔隙被细料所充填，故垂直渗透系数较小，压实层下部颗粒破碎较少，每层下部的渗透系数大于上部，适当加水碾压可以达到较高的密度。膨胀土、分散性黏土等一般不宜作为防渗体的填筑材料，但是在特定情况下也会在实际工程中使用。对于这类材料的特性研究可以为实际工程中使用这些材料提供指导。柯尊敬[9]等人对膨胀土堤坝填筑条件进行讨论，指出高含水率低重度这一填筑条件存在的问题，认为应该在最佳含水率条件下压实到最大干重度。邓亲云等人[10]结合国内外典型工程经验，对分散土的判别及分散土心墙堆石坝的设计和施工进行综合分析，并提出一些建议。詹森[11]结合美国的实际工程，分析崩解性土对大坝渗流安全的影响和工程解决措施。

2.2 土石坝渗流问题分析

不良地基是导致土石坝坝基渗漏的一大原因，对于岩溶等不良地基的处理也在相关规范中有详细的规定，对于不良地基及其处理方案的研究往往结合实际工程进行。周波等人[12]对西南某水电站深厚软弱覆盖层地基地质问题进行研究，提出地基进行振冲碎石桩处理并采用悬挂式防渗的处理方案，并进行生产性试验；通过对比处理前后的砂层力学参数的变化来验证处理方法的合理性，并通过3 a 观测数据验证该方案的合理性。卢耀如[13]总结岩溶地区水库建设遇到的主要地质问题和目前各地工程上解决问题的主要措施，并且就岩溶地区有关水利水电建设中几个问题，如水库渗漏的利弊问题进行探讨。

土石坝渗漏有各种情况，所以在研究土石坝渗漏问题时对于各个工程不同的情况要具体分析。分析渗流破坏成因是进行除险加固方案设计的重要环节，只有正确地分析发生渗流破坏的原因，才能正确地选择除险加固的方案。国内外学者对实际工程中的渗流破坏原因通过各种方法进行研究。周红、杨恒华[14]根据目前梧州防洪堤地基有限的勘探试验资料，对该地基渗透变形特征以及液化可能性作了一些初步分析；通过Seed 剪应力对比简化法与GBJ 11 —89《建筑抗震设计规范》2 种方法对该问题进行计算，计算结果比较吻合。何勇军[15]通过现场调查、渗流观测资料分析和有限元软件分析等方法对蔡家沟水库渗漏情况进行分析。牛运光[16]结合我国几座土石坝渗流破坏的实例，分析各个水库渗透破坏的成因并介绍各种防渗措施的适用条件及技术要点。辛建芳、普布等人[17]通过大坝监测系统、电法探测、连通试验等手段，分析江雄水库新建大坝坝基、绕坝、溢洪道、输水洞等渗漏主因，查找到主要渗流通道，为大坝堵漏处理方案设计提供决策依据。

土石坝的渗漏主要有坝体渗漏、绕坝渗流、坝基渗漏；研究土石坝渗漏成因的主要方法有现场调查、资料分析、数值模拟等。可以使用以上方法，对土石坝主要渗漏问题通过排除法进行分析。土石坝产生渗漏的主要原因有以下几点。①勘测设计问题：由于当时的技术和经济条件的限制，大部分中低土石坝进行设计建设之前没有进行水文地质勘测，导致在设计时对当地的水文地质情况不了解，没有考虑完善，设计中的防渗措施不合理，在水库建设完成后大坝出现渗漏问题。②施工质量问题：由于土石坝特别是低土石坝施工工艺简单，工程投资较少，加上施工单位的水平良莠不齐，在施工期间如果没有严格按照规范要求进行施工，非常容易产生质量问题，从而导致土石坝发生渗漏。其中施工中最容易导致土石坝产生渗漏的原因之一是选用的筑坝土料质量不符合规范要求，如含有杂质、透水性大、施工时碾压不密实、压实度无法满足要求等。③输水设施问题：输水涵管产生破损是导致土石坝发生渗漏的另一重要原因。输水涵管出现破损的主要原因有长年使用后出现破裂、涵洞砌筑质量不好、座浆不实、地基不均匀沉降等。④白蚁侵蚀问题：白蚁是造成土石坝渗漏的一大原因，白蚁会造成土坝内部形成直径从数十厘米到数米的主巢和数量众多的附巢，在坝体内形成渗漏网络从而引发散浸和管涌等问题。⑤管理不完善问题：由于小型水库的管理不受重视，管理经费较少，水库多位于偏远地区交通不便导致管理更加困难，并且由于大部分小型水库的管理员属于当地招聘，专业知识不足，也缺乏进修提高能力的机会；以上原因导致了小型水库的运行管理中容易出现问题，运行过程中管理不规范也会导致土石坝发生渗漏问题。

3 土石坝渗流数值模拟

随着计算机技术的发展，数值模拟成为研究的一个重要方向。通过数值模拟不仅可以方便快捷计算坝体内的渗流场，而且可以直观地分析结果。数值模拟技术经过几十年的发展逐渐成熟，1931 年，Richardson 提出有限差分法，1943 年Courant 提出有限单元法的基本思想，1960 年Clough 最先采用“有限单元法”这个名称，以与有限差分法相区别。1966 年Clough 和Woodward 首先用有限单元法来分析土坝渗流。20 世纪70 年代初Chapuis 等从稳定渗流分析发展非稳定渗流分析。

随着数值模拟技术的成熟，许多学者利用数值模拟技术建立模型分析渗流的机理。Neuman[18]建立一个饱和 —非饱和渗流模型，可用于分析轴对称情况下的三维渗流。Xu 等人[19]提出非饱和土有限元分析模型。Chapuis 等人[20]采用二维有限元程序数值分析不同高度（5，10，20，50 m）的堤防渗流并给出解决方法。Qiu 等人[21]把颗粒大小及分布函数的某些参数和渗透率联系起来，建立一个饱和 — 非饱和渗流模型用以分析不同设计方案下土坝的渗流。Xu 等人[22]用饱和 — 非饱和渗流模型分析了一座土石坝断面的渗透稳定性。Kacimov 等人[23]利用计算机程序，根据2 种介质的导水率、倾角和给定点的水头值，重建岩心与壳体内的流网和等压线。

通过数值模拟建立计算模型比物模实验更加方便研究渗透破坏的机理，许多学者利用数值模拟研究渗流的机理并且对数值模拟的模型进行改进，改进后的模型也为之后的研究提供便利。朱伟等人[24]结合某工程问题，应用有限元饱和 — 非饱和渗流解析，对地基渗透破坏发生机制及其影响因素做了分析。研究表明，地基渗透破坏与地基条件、地下水条件、洪水条件、降雨条件有关；封闭式防渗帷幕需要良好的隔水层；洪水的波形和持续时间对防渗加固非常重要。倪小东[25]使用颗粒流程序研究管涌，考虑渗流作用下颗粒和流体之间的耦合作用，运用离散单元法研究土体管涌机理与孔隙率、渗流长度、截面大小等影响管涌破坏的主要因素。Bathe 等人[26]提出自由表面渗流问题有限元分析的一种有效求解方法，采用材料的非线性渗透率描述，避免有限元网格的迭代。在一些问题的分析中获得的结果和经验证明该求解方法的可行性。Kacimov 等人[27]分析某坝坝体及相邻坝体渗流问题，利用五边形在纯平面上的保角映射和物理平面上的三角形映射，分析低渗透坝体的流动。此外，结合实际工程通过数值模拟建立模型，对实际工程的设计和建设以及防渗措施的选择等都提供很重要的依据。以下学者结合实际工程，建立不同的数值计算模型，用以模拟计算不同情况下坝体的渗流。Chen 等人[28]针对土石坝，建立一个能全面反映渗流通道发育、坝体坍塌和溢流破坏全过程的数值模型，模型考虑坝体材料的粒度分布、压实密度和强度渗流方向、坝坡、水流速度对冲刷量的影响，并且通过对2 种典型渗流破坏情况下的溃口和泄流发展过程进行数值模拟来验证该模型的可靠性和正确性。Mohsen 等人[29]结合蒙特卡罗方法和有限差分方法，开发一种全新的堤坝蓄水后性能预测软件，为评价该方法的有效性，以伊朗东南部的Chahnimeh 大坝为例，对该方法进行详细研究。同时利用Kolmogorov Sturier-MiNOV 检验对该坝的行为进行预测，并与现场监测进行比较。结果表明，该方法具有较强的准确性，可用于大坝对渗流、管涌、沉降等各种因素的响应监测。陈守开等人[30]针对中小型土石坝的特点及渗流安全问题，采用改进节点虚流量法，编制程序得到三维有限元渗流场计算模型。Nourani V[31]提出一种分布式多库管模拟装置（MRTA），用于室内模拟堤坝渗流。通过建立一个数值模拟的模型，可以方便快捷地研究渗流问题，并且直观地得到结论，无论是在科研方面还是在工程应用方面都能发挥巨大的作用。

随着数值模拟计算模型的完善，可以研究大坝在不同情况下渗流场的变化。以下学者研究了土石坝在蓄水、暴雨、泥沙淤积等情况下的渗流问题。Huang[32]对水库蓄水后土坝稳定性分析问题进行数值模拟。王志华等人[33]使用Geo-Studio 软件分析土石坝坝前泥沙淤积对大坝渗流的影响，提出利用泥沙淤积进行防渗铺盖的条件。Zhang等人[34]基于多孔介质和非饱和瞬态渗流理论，采用有限元方法模拟大暴雨条件下土石坝的非稳定渗流场，分析降雨强度和降雨历时对土石坝渗流场的影响。刘晓庆等人[35]考虑强透水地基上土石坝下游排渗系统对渗流场的影响。陈群等人[36]考虑水力滞后对土石坝初次蓄水渗流场的影响。这些研究结果对工程的借鉴作用很大，可以了解在不同工况下大坝渗流的特点，从而避免工程中出现事故。

4 土石坝防渗加固措施研究

防渗措施一直是土石坝除险加固工程中的重要内容，防渗措施主要分为水平防渗与垂直防渗。对于防渗措施的研究一般通过室内试验和数值模拟的方法进行，主要研究各种防渗措施的防渗效果和影响防渗效果的因素。张家发等人[37]基于渗透变形的扩展规律进行试验设计，通过室内砂槽试验与数值模拟分别对渗透变形的扩展过程进行研究并对比2 种方法得到的结果，发现悬挂式防渗墙对渗流控制效果不明显但随着防渗墙深度增加对渗透变形的扩展有明显效果。耿计计等人[38]通过实验和有限元方法分析表明，坝肩混凝土防渗墙的延伸长度与绕坝渗流特性的改善呈正相关性，但其长度超过一定值时，改善的效果将明显减小。毛海涛等人[39]采用保角变化的方法，推出无限深透水地基上土石坝垂直防渗墙深度和渗流量的关系，研究表明，在防渗墙位置一定的前提下，防渗墙深度越深，渗流量越小，呈现双曲线分布，达到一定深度时，渗流量变化越来越小，最后趋于一个恒定值。李少明[40]采用渗流有限元软件，结合工程实例，分析混凝土防渗墙的质量缺陷对大坝渗流控制的影响，研究表明，对于渗流控制防渗墙裂缝位置比裂缝宽度的影响大，防渗墙悬挂比防渗墙渗透系数的影响大。高江林等人[41]采用ABAQUS 有限元分析软件，建立渗流与应力耦合模型分析防渗墙与坝体的相互作用，研究表明防渗墙体的应力主要由水平荷载提供，简单的忽略渗流和应力的耦合作用会使计算结果偏小，结果不安全。岑威钧等人[42]研究土工膜出现一处破损的情况下对坝体渗流场的影响及控制措施。

5 结 语

综上所述，针对土石坝的渗流问题和防渗措施，已经有大量的室内实验和数值模拟研究成果，但是其中大部分是关于中高土石坝的渗流问题和防渗加固的研究，针对低土石坝的渗流问题和防渗加固的研究很少。而据统计资料，目前我国大部分的土石坝为低土石坝，并且由于当时建造时的资金和技术问题，低土石坝多数是“三边”工程，工程质量不高，超过1/3 的低土石坝存在渗流问题。因此开展对低土石坝渗流破坏问题和防渗加固措施的研究十分必要，例如低土石坝渗漏机理的分析和针对低土石坝渗流的数值模拟研究。