土石坝防渗变形处理措施.docx

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土石坝防渗变形处理措施

中央广播电视大学人才培养模式改革

与开放教育试点水利水电专业论文

土石坝防渗变形的处理措施

学校：

新乡广播电视大学

姓名:

苗顺跃

学号：

*************

指导老师：

周长社

完成时间：

2015年05月08日

内容摘要………………………………………………………………1

一、渗透变形的概念及理解…………………………………………2

二、水利工程土石坝的分类与特征…………………………………3

三、土石坝渗漏的途径及其危害……………………………………3

四、水利工程土石坝渗漏的原因……………………………………4

五、对土石坝渗漏问题采取的处理措施……………………………5

六、对土石坝的养护…………………………………………………7

参考文献………………………………………………………………9

内容摘要：

随着我国水利工程建设事业的不断发展，土石坝在我国的水利工程建设中有着越来越广泛的应用。

土石坝与其他坝型相比而言，其优势是施工的便捷性、材料的经济性。

据不完全统计，中国土石坝数量占到大坝总数的93%。

据有关部门统计，我国现有小型水库八万一千余座，中型水库二千六百余座，大型水库四百余座（其中三百余座属于水利部门管理），共计八万四千余座。

这些水库中较多存在着安全隐患，其中以因为渗漏引起变形而造成病险土石坝最为普遍，这主要是由于这些水库大多兴建于我国经济基础相对落后、资金严重不足的五六十年代。

治理好土石坝因为渗漏而导致的变形问题直接关系着我国水利建设和人民的生命财产安全，采取有效措施处理土石坝防渗变形问题是水利工程建设中当务之急。

但土石坝建设最大的病害主要是工程质量问题，具体表现在渗漏、滑坡和裂缝。

概括起来，是一个防渗加固问题，一般处理防渗的原则是“上堵下排”。

上堵的措施有垂直防渗和水平防渗。

垂直防渗有混凝土防渗墙、高压喷射灌浆防渗、劈裂灌浆防渗、冲抓套井回填防渗、倒挂井防渗、土工合成材料防渗、射水造孔混凝土墙防渗和岩溶帷幕灌浆防渗等。

水平防渗有人工粘土铺盖和利用天然铺盖等，并结合下排的措施有：

在坝体背水坡脚附近开挖导渗沟、减压井和盖重压渗等。

如何控制和预防渗漏是土石坝工程建设中最主要的工作之一，因此，本文以水利工程土石坝坝体渗流为研究对象，就土石坝坝体防渗处理措施进行探究。

土石坝防渗变形的处理措施

近些年来，特别是2011年中央一号文件《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》出台后，水利投资大幅增加，水利建设掀起了新一轮高潮，水利建设成绩斐然，水利工程发挥了巨大效益。

在水利建设中，土石坝得到了越来越广泛的应用。

而土石坝渗漏问题直接危及水利工程安全，并直接影响工程效益的发挥，必须认真研究、在实践中探索有效的防渗技术，切实解决渗漏变形问题，确保工程安全，确保工程保护范围内的广大人民群众生命财产安全。

一、渗透变形的概念及理解

渗透变形是指坝体及坝基中的渗流，由于其机械或化学作用，使土体产生局部破坏。

渗透变形的形式与土料性质、土粒级配、水流条件以及防渗、排渗措施等因素有关。

粗粒土渗透变形破坏坡降的大小是水利水电工程中需要考虑的问题，我国科学家在总结前人的经验基础上，根据单颗粒水力平衡关系，总结出了管涌的临界水力坡降简化式，国内外一些渗流理论专家根据力学平衡原理，通过理论推导，得出一些管涌和流土的临界水力坡降模型公式。

如太沙基模型公式、伊斯托明娜管涌型土的抗渗坡降公式、扎马林模型公式、沙金煊公式、中国水利水电科学研究院公式等，其具体形式在这里不再列举，这些公式都未考虑与级配特征有关的参数。

目前的试验研究发现，这些理论公式与实测值之间存在一些差距，在工程中未能得到较好的应用。

有关渗透变形的研究，大多学者是从试验的角度进行的探索，分别从渗透试验中发现随着粗细颗粒级配的不同，土的渗透机理将会发生改变，粗粒料较多时，粗粒形成骨架，细颗粒充填其中，土的渗透破坏性质取决于粗颗粒的特征当粗粒含量较少时，不足以形成骨架，粗颗粒是散乱地堆积在细颗粒当中，土的渗透稳定性类似于细粒料。

不均匀系数小的土，颗粒大小均匀，骨料与填料区别不明显，土体不能形成骨架结构，如果粒径较小，在较小的水头下，出口处小颗粒被水流带走，并逐渐发展为流土破坏。

如果不均匀系数较大，曲率系数也较大，土体缺乏中间粒径，在土体结构中，大颗粒形成的骨架结构空隙较大，小颗粒在大空隙中处于自由状态，在较小的水力坡降下，小颗粒土体被带走，形成管涌破坏，这种破坏形式由于粗颗粒骨架还存在，还能承担一定的水力坡降，土体结构并未完全破坏。

如土体不均匀系数较大，曲率系数为1～3，土体级配良好，土体中颗粒大小渐变，空隙中填料被约束而处于固定状态，渗透破坏形式表现为流土破坏。

渗流控制从20世纪80年代开始，闸坝基础渗流控制的原则逐渐明确为防渗、排渗与反滤层保护渗流出口相结合。

对土石坝透水地基渗流控制方法主要有:

设置截水槽，浇筑混凝土防渗墙或设灌浆帷幕，铺筑上游水平防渗铺盖等。

二、水利工程土石坝的分类与特征

根据施工方法的差异，土石坝又可以划分为：

碾压式土石坝、冲填式土石坝、定向爆破堆土石坝、水中填土石坝等等。

而在水利工程中使用最多的则是碾压式的土石坝。

以坝的高度来分，则可以划分为低土石坝、高土石坝、中土石坝三类。

其中，高土石坝技术是近代发展使用的。

碾压式土石坝根据土料的配置与防渗类型，可以划分为均质土石坝、土质心墙坝、土质斜墙坝等等。

水利工程土石坝作为一种历史悠久、建设便捷的坝型。

土石坝的优势在便于就地取材，在一定程度上能够节省建坝所需的水泥、钢筋等建筑材料，有利于节省材料运输的费用。

同时，土石坝的结构较为简单，有利于后期的坝维修、加高等工程的开展。

其次，土石坝的坝体是土石散粒体的结构，所以具备了良好的变形适应能力，对地基要求相对较低。

再次，土石坝的施工技术较为简单，工序较少，有利于组合机械进行快速的施工。

但是土石坝也有自身的不足，例如：

一般的土石坝是不能溢流的，土石坝建设过程中粘性土料的施工容易受气候等因素的影响等。

三、土石坝渗漏的途径及其危害

土石坝渗漏除沿地基的断层破碎带或岩溶地层向下渗漏外，一般均沿坝身土料、坝基土体或绕过坝端渗向下游，即所谓的坝身渗漏、坝基渗漏及绕坝渗漏。

这些渗漏过大时将造成一下危害。

1、损失蓄水量

一般正常的渗漏所损失的水量与水库蓄水量相比，其值很小。

若对坝基的工程地质和水文地质条件重视不够，未作必要的调查研究，更未作必要的调查研究，更未作防渗处理，则蓄水后会造成大量渗漏，甚至无法蓄水。

2、抬高浸润线

严重的坝身渗漏、坝基渗漏或绕坝渗漏，常会导致土石坝坝身浸润线抬高，使下游坝坡出现散浸现象，降低坝体的抗剪强度，甚至造成坝体滑坡。

3、渗透破坏

渗流通过坝身或坝基时，若渗流的渗透坡降大于临界坡降，将使土体发生管涌或流土等渗透变形，甚至产生集中渗漏，导致土坝失事。

因此，对土石坝的异常渗漏，一经发现，必须立即查清原因，及时采取妥善的处理措施，有效防止事故扩大。

土石坝渗漏处理的具体原则为“上堵下排”。

“上堵”，即在上游坝身或地基采取措施，堵截渗漏途径，防止入渗，或延长渗径，降低渗透坡降，减少渗透流量；“下排”，即在下游做好反虑和导渗设施，将坝内渗水尽可能安全地排出坝外，已达到渗透稳定，保证工程安全运用的目的。

四、水利工程土石坝渗漏的原因

1、心墙和斜墙裂缝有水流通过

土石坝坝体的心墙组成材料和斜墙组成材料，与土石坝其他部位的组成材料有所区别，所以，不同的组成材料经过一段时间运用之后，由于变形等原因，致使土石坝坝体的心墙和斜墙出现裂缝，导致发生渗漏。

当渗漏问题加剧严重后，由于大量的渗漏水流在裂缝中窜涌而过，渗漏水流的冲破力很强，所以，往往导致管涌的发生。

在管涌作用下，将一些防渗体的材料带到土石坝的下游，这样情况下，土石坝坝体的心墙和斜墙自然而然就失去了防渗的功能。

2、水利工程土石坝坝体渗流的原因

在对水利工程土石坝渗流的因素进行分析时可以发现，导致土石坝渗流的原因主要有下面几点：

首先，坝体填土同排水体之间的反滤层设计的不够科学，因为层间系数过大、错断混层问题等，都会导致反滤层受到破坏而失去效果。

反滤层作为土石坝防渗功能中的一个重要环节，当前面的防渗体出现裂缝或出现渗漏通道的情况发生时，只要反滤层能够正常的工作，土石坝的渗漏破坏就不会扩大。

其次，土石坝的防渗体没有能够达到基岩以及可靠的粘土层。

当进行截水槽开挖的时候，因为施工难度大等问题，没有按标准进行开挖，进而留下了一些安全隐患。

再次，土石坝两岸岸坡台阶状的产生。

为了建成较平顺的坡度，要进行变坡，在上下两坡度的转折位置，破角的差较大，有平台时平台位置填土的高度与平台两端填土的高度不符合标准。

3、浸润线抬高使下游坝坡失稳

当施工人员在进行坝体施工的时候，常存在着实际侵润线要比原计划设计的侵润线高，这样导致坝体下游的坡面经常处于湿润的状态，从而导致坡面不稳定。

侵润线抬高的原因，主要是施工人员在进行施工时没有考虑土坝施工是分层碾压的，因碾压使坝体形成许多水平层面，导致水平向渗透系数大于垂直向渗透系数，产生各向异性渗流场的结果。

培坡、削坡、干砌固脚、衬砌护坡等对由于下游坡过陡导致坝体渗径不能满足要求，而造成坝体浸润线出逸点过高的，必须对下游坡进行加厚培坡。

下游坡过陡，不仅可造成坝体渗漏，也存在坝坡稳定问题。

削坡减载，减少滑动力，并及时封堵裂隙，阻止雨水继续渗入。

干砌固脚，保证滑动体稳定；衬砌护坡保护坝体。

五、对土石坝渗漏问题采取的处理措施

1、加大对土石坝基础的处理

在进行水利工程土石坝建设的过程中，一定要做好土石坝基础处理工作，保证基础处理的质量。

尤其是大型的土石坝，要在满足坝基承载力的基础上，完成土石坝基础处理的稳定性，才可以实施填筑施工。

针对那些在深覆盖层上修筑的土石坝，在面对工程量较大的基础处理时候，要通过使用防渗墙、固结灌浆等手段，来提升地基处理的水平。

如岩基、砂砾石坝基处理。

当岩基上的覆盖层较薄时，只需将防渗体座落在岩基上形成截水槽，隔断渗流即可；但对较高的土石坝，从土石坝的坝基处理防渗和稳定安全考虑，有时要挖除较大部分的覆盖层，将防渗体和透水坝壳都建在岩基上，基岩内部防渗处理的主要设施是帷幕灌浆，用以提高其不透水性、强度和完整性，减小渗流坡降，减少渗漏损失。

很多高坝出于安全考虑，利用廊道或平洞对全坝进行深孔帷幕灌浆。

近年来不少人对此提出不同看法，认为土石坝坝基渗流控制，除了在断层裂缝和岩溶发育等不良地段确有必要进行灌浆外，应根据每座坝的具体条件进行技术经济论证，确定是否需要灌浆以及灌浆的范围和要求。

有一些高土石坝通过论证大大减少了帷幕灌浆的工作量。

低坝通常不灌或只做简易的灌浆。

对断层破碎带等不良地质构造，即使高土石坝，也不需过多地考虑承载力和不均匀沉降问题，而应着眼于了解其中填充物的性质和紧密程度以及两侧围岩的岩性，研究其抗渗稳定性和抗溶蚀的性能。

要做好防渗体下部顺河断层的防渗处理。

处理方法可采用水泥或化学材料灌浆、混凝土塞、混凝土防渗墙，或加宽心墙，加设防渗铺盖，作好排水反滤等，用以阴截渗流，防止管涌和溶蚀。

砂砾石地基上建坝的主要问题是进行渗流控制，解决的方法是作好防渗和排水，如：

1）垂直防渗设施，包括软粘土截水槽、混凝土防渗墙、灌浆帷幕等；

2）上游水平防渗铺盖；

3）下游排水设施，包括：

水平排水层、排水沟，减压井、透水盖重等。

这些设施可以单独使用，也可以综合使用。

各种垂直防渗设施能比较可靠而有效地截断坝基渗透水流，解决坝基渗流控制问题。

在技术条件可能而又经济合理时，应优先采用。

在下列情况下宜尽可能采用：

1）坝基砂砾石层渗流稳定性差，采用铺盖及排水减压设施仍不能保证坝与地基的渗流稳定时；

2）坝基水平成层显著，具有强透水渗漏带，上游铺盖不能有效地控制渗流时；

3）坝基砂砾石层厚度不大，不难采用垂直防渗设施解决渗流控制问题时；

4）水库不容许有大量渗漏损失时。

2、混凝土防渗墙措施

通过使用钻机，在土石坝坝基上利用高速射流建造槽型孔，设备简单造价也低。

在造孔中具体的操作流程是：

通过高压水泵水流的冲力来对土石坝地基的土结构层破坏，泥浆进入孔底之后，再回流到地面，这样就会出现回流泥沙溢出地面，以泥浆固壁，然后利用导管，在导管内装入浇筑好的混凝土往孔内进行浇筑，这样就会形成一个混凝土槽墙，起到了防渗的作用。

混凝土防渗墙可以用在不同材料的土石坝坝基地质条件上，利用成型器侧向特殊装置可将槽墙连接成地下连续的防渗墙。

需要注意的是，混凝土防渗墙在进行施工的过程中，一定要控制好施工质量，如果在施工中，混凝土防渗墙的施工质量不好，很难达到彻底的截断渗流。

3、混凝土浇筑

对水下混凝土采用直升导管法浇筑，在浇筑前，导管内应设置可以浮起的隔离塞球，初浇前先将料斗口用带钢绳钢板封闭，向料斗内泵入一盘砂浆，再注满混凝土，然后同时拉开封底钢板，料斗内混凝土同时推挤皮球，通过皮球将泥浆从导管底部排出。

在混凝土浇筑之后，用泥浆固壁，既可以悬浮岩屑、润滑钻具、冷却钻头，又可以防止坍孔。

另外，抓斗在抓孔过程中，会有部分细砂或其他岩渣悬混在泥浆中，然后逐渐沉淀到底孔，抓斗在挖掘槽底部时也会遗留少部分细砂和岩渣。

产生的这些淤积物，在混凝土浇筑前都必须清理干净，否则，将直接影响墙体质量。

4、高压喷射灌浆防渗措施

高压喷射灌浆防渗措施在水利工程土石坝渗漏中应用的很多，所起的防渗效果较好。

高压喷射灌浆防渗措施不仅可以保证施工质量，而且施工的速度快，同时还能减少高压喷射的能量消耗，增加了浆液的渗透能力，提高了成墙效率。

这种技术措施最初在土、沙、细颗粒砂砾石层使用，经过改进之后，可以用在砂卵石、砂卵漂石和堆石碴层中。

具体的做法是：

通过钻机在土石坝的坝体层进行钻孔，以泥浆固壁，把喷射管放在钻好的孔内，然后从喷射管中喷出高压射流，由于喷射的射流冲击力巨大，能够破坏土体结构。

喷射的水流与破坏的土体一起进行搅拌，形成浆液，浆液凝固后，在地基中按设计的方向、深度、厚度以及结构形式与地基结合成紧密的凝结体，从而起到防渗作用。

由此可见，在水利工程中，处理土石坝防渗问题是一项十分麻烦和艰巨的工作，这就需要广大水利工作者，尤其是土石坝建筑人员在日常的防护渗漏工作当中，善于发现问题形成的原因，同时还要对其找出解决的办法，不断地总结经验、积累经验，这样才会做好工作，获得更大的建筑施工技术成效。

六、土石坝的养护

1、一般规定

养护工作应做到及时消除土石坝表面的缺陷和局部工程问题，随时防护可能发生的损坏，保持大坝工程和设安全、完整、正常运用。

坝面上不得种植树木、农作物，不得放牧、铲草皮以及搬动护坡和导渗设施的砂石材料等。

严禁在大坝管理和保护范围内进行爆破、打井、采石、采矿、挖沙、取土、修坟等危害大坝安全的活动。

严禁在坝体修建码头、渠道，严禁在坝体堆放杂物、晾晒粮草。

在大坝管理和保护范围内修建码头、鱼塘，经大坝主管部门批准，并与坝脚和泄水、输水建筑物保持一定距离，不得影响大坝安全、工程管理和抢险工作。

大坝坝顶严禁各类机动车辆行驶。

若大坝坝顶确需兼做公路，须经科学论证和上级主管部门批准，并应采取的安全维护措施。

2、坝顶、坝端的养护

坝顶养护应达到坝顶平整，无积水，无杂草，无弃物；防浪墙、坝肩、踏步完整，轮廓鲜明；坝端无裂缝、坑凹，无堆积物。

如坝顶出现坑洼和雨淋沟缺，应及时用相同材料填平补齐，并应保持一定的排水坡度；对经主管部门批准通车辆的坝顶，如有损坏，应按原路面要求及时修复，不能及时修复的，应用土或石料临时填平；坝顶的杂草、弃物应及清除。

防浪墙、坝肩和踏步出现局部破损，应及时修补或更换。

坝端出现局部裂缝、坑凹，应及时填补，发现堆积物应及时清除。

3、坝坡的养护

坝坡养护应达到坡面平整，无雨淋沟缺，无荆棘杂草滋生现象；护坡砌块应完好，砌缝紧密，填料密实，无松塌陷、脱落、风化、冻毁或架空现象。

4、干砌块石护坡的养护

及时填补、楔紧个别脱落或松动的护坡石料。

及时更换风化或冻毁的块石，并嵌砌紧密。

块石塌陷、垫层被淘刷时，应先翻出块石，恢复坝体和垫层后，再将块石嵌砌紧密。

5、混凝土或浆砌块石护坡的养护

及时填补伸缩缝内流失的填料，填补时应将缝内杂物清洗干净。

护坡局部发生侵蚀剥落、裂缝或破碎时，应及时采用水泥砂浆表面抹补、喷浆或填塞处理，处理时表面应清洗干净破碎面较大，且垫层被淘刷、砌体有架空现象时，应用‘石料作临时性填塞，岁修时进行彻底整修。

排水孔如有不畅，应及时进行疏通或补设。

对于堆石护坡或碎石护坡，石料如有滚动，造成厚薄不均时，应急时进行平整。

6、草皮护坡的养护

应经常修整、清除杂草，保持完整美观；草皮干枯时，应及时洒水养护。

出现雨淋沟缺时，应及时还原坝坡，补植草皮。

严寒地区护坡的养护。

在冰冻期间，应积极防止冰凌对护坡的破坏。

可根据具体情况，采用打冰道或在护坡临铺放塑料薄膜等办法减少冰压力；有条件的，可采用机械破冰法、动水破冰法或水位调节法，破碎坝前冰盖。

7、排水设施的养护

各种排水、导渗设施应达到无断裂、损坏、阻塞、失效现象，排水畅通。

必须及时清除排水沟（管）内的淤泥、杂物及冰塞，保持通畅。

对排水沟（管）局部的松动、裂缝和损坏，应及时用水泥砂浆修补。

排水沟（管）的基础如被冲刷破坏，应先恢复基础，后修复排水沟（管）；修复时，应使用与基础同样的土料，恢原来断面，并应严格夯实；排水沟（管）如设有反滤层时，也应按设计标准恢复。

随时检查修补滤水坝趾或导渗设施周边山坡的截水沟，防止山坡浑水淤塞坝趾导渗排水设施。

减压井应经常进行清理疏通，保持排水畅通；周围如有积水渗入井内，应将积水排干，填平坑洼，保持井周无积。

8、坝基和坝区的养护

对坝基和坝区管理范围内一切违反大坝管理规定的行为和事件，应立即制止并纠正。

设置在坝基和坝区范围内的排水、观测设施和绿化区，应保持完整、美观，无损坏现象。

设置在坝基和坝区内的排水、观测设施的养护要求，发现绿化区内的树木、花卉缺损或枯萎时，应及时补植或灌水养护。

发现坝基范围内有新的渗漏逸出点时，不要盲目处理，应设置观测设施进行观测，待弄清原因后再进行处理。

【参考文献】

[1]任寿所。

土石坝工程渗漏中存在常见问题与处理措施[J]。

经营管理者，2010（19）。

[2]闫宝宏。

后张法预应力混凝土施工技术在水利工程中的应用[J]。

黑龙江水利科技，2011（01）。

[3]SD82—79《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》。

[4]土石坝防渗的技术处理措施，民营科技.2014年第2期。

[5]中国水科院.土石坝震害与处理修复措施，2008。

[6]防止土石坝渗透变形的技术措施《水利天地》，2010。