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【摘 要】本文就土石坝发生渗透变形的形式以及破坏机理进行了综述，并由此提出了相关加固措施，谨供大家作参考之用。
【关键词】土石坝；渗透破坏；破坏机理；加固措施
1 前言
一般情况下，土石坝能够就地取材，不但节约资源，其造价也比其它坝型低，另一方面，土石坝的风险相对来说比混凝土坝的风险要大。据不完全统计，土石坝的失事率约占大坝总失事率的60%。本文从土石坝的特性入手，对其发生渗透变形的形式以及破坏机理进行了综述，并由此提出了相关加固措施。
2 土石坝渗透变形形式及破坏机理
土石坝是由松散颗粒土石材料经填筑碾压而成的挡水建筑物。按其施工方法的不同可分为碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破堆石坝、水中倒土坝和水力充填坝，其中以碾压式土石坝应用最为广泛；按照土料在坝体中的配置和防渗体的位置不同，土石坝又可分为以下三种基本形式：
2.1 均质坝
均质坝坝体的一般由同一种透水性较弱的粘性土料填筑而成，其优点是材料单一、便于就地取材，结构简单、易于施工，易于维修和加高扩建。其缺点是坝坡较缓，剖面较大，须使用大量土料。因粘性土料在回填施工中受到各种条件的限制，坝体孔隙水压力大，故在高坝中较少采用这种坝型。
该类坝型的病险原因大多是因为施工时清基不彻底，造成坝基部分甚至全部坐落在砂砾石透水层上或强风化等裂隙发育的岩基上，以及坝体施工填筑分层厚度不匀，分缝多的影响，压实质量差，压实度及渗透性不满足规范要求。其在渗流方面的病害表现主要为：坝面渗漏，坝基渗漏，坝肩绕渗以及坝体土料较差或填筑质量较差而造成散浸，下游反滤、排水设施施工质量差，坍塌损坏等。
2.2 分区坝
分区坝是由几种不同材料按区域回填形成的挡水建筑物，坝体断面由若干透水性不同的材料分区构成，具体可分为心墙坝（土质防渗体设在坝体中部或稍向上游倾斜的分区坝）、斜墙坝（土质防渗体设在坝体上游面或接近上游面的分区坝）等坝型。在我国已建的土质防渗体分区坝中，绝大多数为心墙坝。防渗体一般均采用粘性土，坝壳料主要有砂石料、土石混合料及石碴料等。
土质防渗体分区坝的病险工程中，常遇见的问题：基础透水层清基不彻底而发生渗漏；反滤层不符合反滤保土要求而发生损坏；防渗体施工质量不满足规范要求而发生渗漏；防渗体本身或接缝处理不好造成渗漏；防渗体与刚性建筑物连接渗径偏短或接触面垂直造成渗漏。
2.3 人工防渗材料坝
坝的防渗体由素混凝土、钢筋混凝土、沥青混凝土或其他人工材料（如复合土工膜）等组成，其余部分由土石料填筑而成。可分为心墙坝（防渗体设在坝体中部或稍向上游倾斜的分区坝）、斜墙坝（防渗体设在坝体上游面或接近上游面的分区坝）等坝型。
面板堆石坝是近年来发展迅速并广泛运用的一种坝型，其是由混凝土面板、趾板及分缝止水构成防渗体，垫层、过渡层及堆石作为支撑体的大坝。
土工合成材料作为新材料、新技术，主要包括土工织物、土工膜以及土工格栅等类型，因其具有稳定可靠、施工方便、造价较低等特点，在我国水利水电工程中得到了极其迅速的发展。工程中作为坝体、坝基、围堰等防渗材料时，主要采用土工膜或复合土工膜。严格来讲，人工材料坝属于分区坝，其常遇见的问题亦与之相同。
3 土石坝防渗加固措施
3.1 渗透变形分析
3.1.1 渗透变形的型式
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、土料的颗粒级配、水流条件以及防渗和排渗措施等诸多因素有关。总的来讲，可以分为管涌、流土、接触冲刷及接触流失等类型，工程中大多数以管涌和流土较为常见。
一般来讲，粘性土只会发生流土破坏而不会发生管涌破坏，分散性土（指在低含盐量水中（或纯净水中）离子相互的排斥力超过了相互吸引力，导致土体的颗粒分散的粘性土，一般采用掺加2％～3％的石灰进行改性处理后才可使用）除外。对于非粘性土来讲，影响其渗透变形的因素很多，主要包括土的颗粒级配、细颗粒含量及密度等。
3.1.2 渗透破坏标准
渗透破坏与渗透变形不一样，只要有土颗粒的运动就会发生渗透变形，而渗透破坏则是指基层土体在渗流作用下失去承载力或稳定性，所以渗透变形量变到一定的程度才会发生渗透破坏。土体在渗流的作用下是否产生渗透破坏，主要取决于土体本身的抗渗强度，工程中具体以临界坡降为判断标准。临界坡降是指土体中的细颗粒随着渗透的加剧，由静止状态转化为运动状态的坡降。当土体中的渗透坡降大于临界坡降时，则土体发生渗透变形，继而产生渗透破坏。
3.2 防渗加固措施
土石坝发生渗流破坏的原因可能是多方面的，如勘测资料不足、未经试验、设计不周、施工质量控制不严或运行管理欠妥善等。工程中为防渗土石坝发生渗透破坏，一般都采取一定的措施对其进行加固，而土石坝的防渗加固措施的选择受多种因素的制约，特别是施工条件和工期的限制，所以，选择土石坝加固措施时，应根据工程病害的具体情况对各种加固措施进行技术、经济比较，以最少的投资、最短的工期、较小的环境污染，创造最佳的工程效益。
3.2.1 防渗设计原则
（1）渗流控制主要因素是渗径或渗流坡降，按最不利渗流稳定工况设计，保证渗透坡降小于允许值。其次还有渗水流速、渗水量也应满足一定的要求。
（2）渗流控制措施主要为“前堵、后排，出口设置反滤”。
（3）兼顾施工工艺、技术等因素。防渗方案应可行，且施工方便。
3.2.2 防渗加固措施
防渗加固措施一般按加固方案的形式可分为水平防渗、垂直防渗两大类。对于水平防渗，通常采用水平防渗铺盖，设计应控制其厚度、长度满足有关规范要求；垂直防渗是亦十分常见的工程措施之一。采用垂直防渗措施，尤其是透水地基，与水平防渗相比，其防渗效果更加明显，所以在工程中使用较为广泛。
随着我国水利科学技术的迅速发展，垂直防渗加固技术也取到了很大的进步，其常用的工程措施有：
（1）机械挖槽浇灌混凝土防渗墙；
（2）多头小直径深层搅拌连续水泥土防渗墙；
（3）高压喷射灌浆（旋喷、摆喷、定喷等）水泥固结体防渗墙；
（4）冲抓套井回填粘土防渗墙；
（5）人工开挖回填土质防渗体；
（6）劈裂灌浆、锥探灌浆、水泥及化学渗透灌浆防渗等；
（7）土工合成材料防渗。
在防渗加固设计中，应根据坝体及坝基的工程地质条件、坝体的结构型式、大坝的高度、建筑物的重要性以及每一种工程措施的适用条件等综合因素，进行技术、经济比较，确定最优的防渗措施。在上述的几种工程措施中，机械挖槽浇灌混凝土防渗墙虽然造价稍微有点偏高，但因其接头可靠、易于控制、墙体抗渗稳定性较好，即其防渗性能较为稳妥可靠；同时，机械挖槽施工可适应较大深度的、各种厚度的墙体，故其在土石坝防渗加固中应用较多。
3.2.3 排渗加固方法
在防渗加固工程中，除采用上述的一些截渗措施外，同时还结合采用适当的排渗措施，例如采用贴坡排水、棱体排水、褥垫排水及其组合排水，坝体内竖向排水层和水平排水层、排水沟、减压井、透水盖重等排水设施，以排除上游或基础渗水，降低坝体的浸润线及下游坝基上的水头。
主要排渗加固措施如下：
（1）反滤贴坡排水层；
（2）棱体排水坝趾；
（3）褥垫排水层；
（4）内部竖向排水层和水平排水层；
（5）排水沟；
（6）减压井；
（7）反滤透水盖重；
（8）上述措施的组合形式。
3.2.4 反滤层要求
反滤层有排出渗水和保护土体颗粒不被带走的作用，反滤材料可用砂砾石料或土工织物，其主要用于细料和粗料之间的过渡区、渗透水流的出口处等，如坝趾排水棱体，粘土心墙和粗料坝壳之间等。
一般来讲，砂砾石料可按其粒径控制其透水性、保土性要求，其厚度通常为 200mm～300mm，其长度可根据渗透稳定确定；土工织物除具有足够的强度和耐久性外，可按其单位面积质量控制其透水性、保土性以及防堵性要求，一般要求其质量不小于180g/m2。
4 结语
总之，土石坝是历史最为悠久的一种传统坝型，因取材方便、投资较少、易于施工等而使用较为普遍。但由于种种原因，大部分已建土石坝都存在着渗漏问题。因此，从保障人民生命财产安全、经济发展、社会稳定等方面考虑，对渗漏严重的土石坝进行防渗加固是迫切需要的。
【关键词】土石坝；渗透破坏；破坏机理；加固措施
1 前言
一般情况下，土石坝能够就地取材，不但节约资源，其造价也比其它坝型低，另一方面，土石坝的风险相对来说比混凝土坝的风险要大。据不完全统计，土石坝的失事率约占大坝总失事率的60%。本文从土石坝的特性入手，对其发生渗透变形的形式以及破坏机理进行了综述，并由此提出了相关加固措施。
2 土石坝渗透变形形式及破坏机理
土石坝是由松散颗粒土石材料经填筑碾压而成的挡水建筑物。按其施工方法的不同可分为碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破堆石坝、水中倒土坝和水力充填坝，其中以碾压式土石坝应用最为广泛；按照土料在坝体中的配置和防渗体的位置不同，土石坝又可分为以下三种基本形式：
2.1 均质坝
均质坝坝体的一般由同一种透水性较弱的粘性土料填筑而成，其优点是材料单一、便于就地取材，结构简单、易于施工，易于维修和加高扩建。其缺点是坝坡较缓，剖面较大，须使用大量土料。因粘性土料在回填施工中受到各种条件的限制，坝体孔隙水压力大，故在高坝中较少采用这种坝型。
该类坝型的病险原因大多是因为施工时清基不彻底，造成坝基部分甚至全部坐落在砂砾石透水层上或强风化等裂隙发育的岩基上，以及坝体施工填筑分层厚度不匀，分缝多的影响，压实质量差，压实度及渗透性不满足规范要求。其在渗流方面的病害表现主要为：坝面渗漏，坝基渗漏，坝肩绕渗以及坝体土料较差或填筑质量较差而造成散浸，下游反滤、排水设施施工质量差，坍塌损坏等。
2.2 分区坝
分区坝是由几种不同材料按区域回填形成的挡水建筑物，坝体断面由若干透水性不同的材料分区构成，具体可分为心墙坝（土质防渗体设在坝体中部或稍向上游倾斜的分区坝）、斜墙坝（土质防渗体设在坝体上游面或接近上游面的分区坝）等坝型。在我国已建的土质防渗体分区坝中，绝大多数为心墙坝。防渗体一般均采用粘性土，坝壳料主要有砂石料、土石混合料及石碴料等。
土质防渗体分区坝的病险工程中，常遇见的问题：基础透水层清基不彻底而发生渗漏；反滤层不符合反滤保土要求而发生损坏；防渗体施工质量不满足规范要求而发生渗漏；防渗体本身或接缝处理不好造成渗漏；防渗体与刚性建筑物连接渗径偏短或接触面垂直造成渗漏。
2.3 人工防渗材料坝
坝的防渗体由素混凝土、钢筋混凝土、沥青混凝土或其他人工材料（如复合土工膜）等组成，其余部分由土石料填筑而成。可分为心墙坝（防渗体设在坝体中部或稍向上游倾斜的分区坝）、斜墙坝（防渗体设在坝体上游面或接近上游面的分区坝）等坝型。
面板堆石坝是近年来发展迅速并广泛运用的一种坝型，其是由混凝土面板、趾板及分缝止水构成防渗体，垫层、过渡层及堆石作为支撑体的大坝。
土工合成材料作为新材料、新技术，主要包括土工织物、土工膜以及土工格栅等类型，因其具有稳定可靠、施工方便、造价较低等特点，在我国水利水电工程中得到了极其迅速的发展。工程中作为坝体、坝基、围堰等防渗材料时，主要采用土工膜或复合土工膜。严格来讲，人工材料坝属于分区坝，其常遇见的问题亦与之相同。
3 土石坝防渗加固措施
3.1 渗透变形分析
3.1.1 渗透变形的型式
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、土料的颗粒级配、水流条件以及防渗和排渗措施等诸多因素有关。总的来讲，可以分为管涌、流土、接触冲刷及接触流失等类型，工程中大多数以管涌和流土较为常见。
一般来讲，粘性土只会发生流土破坏而不会发生管涌破坏，分散性土（指在低含盐量水中（或纯净水中）离子相互的排斥力超过了相互吸引力，导致土体的颗粒分散的粘性土，一般采用掺加2％～3％的石灰进行改性处理后才可使用）除外。对于非粘性土来讲，影响其渗透变形的因素很多，主要包括土的颗粒级配、细颗粒含量及密度等。
3.1.2 渗透破坏标准
渗透破坏与渗透变形不一样，只要有土颗粒的运动就会发生渗透变形，而渗透破坏则是指基层土体在渗流作用下失去承载力或稳定性，所以渗透变形量变到一定的程度才会发生渗透破坏。土体在渗流的作用下是否产生渗透破坏，主要取决于土体本身的抗渗强度，工程中具体以临界坡降为判断标准。临界坡降是指土体中的细颗粒随着渗透的加剧，由静止状态转化为运动状态的坡降。当土体中的渗透坡降大于临界坡降时，则土体发生渗透变形，继而产生渗透破坏。
3.2 防渗加固措施
土石坝发生渗流破坏的原因可能是多方面的，如勘测资料不足、未经试验、设计不周、施工质量控制不严或运行管理欠妥善等。工程中为防渗土石坝发生渗透破坏，一般都采取一定的措施对其进行加固，而土石坝的防渗加固措施的选择受多种因素的制约，特别是施工条件和工期的限制，所以，选择土石坝加固措施时，应根据工程病害的具体情况对各种加固措施进行技术、经济比较，以最少的投资、最短的工期、较小的环境污染，创造最佳的工程效益。
3.2.1 防渗设计原则
（1）渗流控制主要因素是渗径或渗流坡降，按最不利渗流稳定工况设计，保证渗透坡降小于允许值。其次还有渗水流速、渗水量也应满足一定的要求。
（2）渗流控制措施主要为“前堵、后排，出口设置反滤”。
（3）兼顾施工工艺、技术等因素。防渗方案应可行，且施工方便。
3.2.2 防渗加固措施
防渗加固措施一般按加固方案的形式可分为水平防渗、垂直防渗两大类。对于水平防渗，通常采用水平防渗铺盖，设计应控制其厚度、长度满足有关规范要求；垂直防渗是亦十分常见的工程措施之一。采用垂直防渗措施，尤其是透水地基，与水平防渗相比，其防渗效果更加明显，所以在工程中使用较为广泛。
随着我国水利科学技术的迅速发展，垂直防渗加固技术也取到了很大的进步，其常用的工程措施有：
（1）机械挖槽浇灌混凝土防渗墙；
（2）多头小直径深层搅拌连续水泥土防渗墙；
（3）高压喷射灌浆（旋喷、摆喷、定喷等）水泥固结体防渗墙；
（4）冲抓套井回填粘土防渗墙；
（5）人工开挖回填土质防渗体；
（6）劈裂灌浆、锥探灌浆、水泥及化学渗透灌浆防渗等；
（7）土工合成材料防渗。
在防渗加固设计中，应根据坝体及坝基的工程地质条件、坝体的结构型式、大坝的高度、建筑物的重要性以及每一种工程措施的适用条件等综合因素，进行技术、经济比较，确定最优的防渗措施。在上述的几种工程措施中，机械挖槽浇灌混凝土防渗墙虽然造价稍微有点偏高，但因其接头可靠、易于控制、墙体抗渗稳定性较好，即其防渗性能较为稳妥可靠；同时，机械挖槽施工可适应较大深度的、各种厚度的墙体，故其在土石坝防渗加固中应用较多。
3.2.3 排渗加固方法
在防渗加固工程中，除采用上述的一些截渗措施外，同时还结合采用适当的排渗措施，例如采用贴坡排水、棱体排水、褥垫排水及其组合排水，坝体内竖向排水层和水平排水层、排水沟、减压井、透水盖重等排水设施，以排除上游或基础渗水，降低坝体的浸润线及下游坝基上的水头。
主要排渗加固措施如下：
（1）反滤贴坡排水层；
（2）棱体排水坝趾；
（3）褥垫排水层；
（4）内部竖向排水层和水平排水层；
（5）排水沟；
（6）减压井；
（7）反滤透水盖重；
（8）上述措施的组合形式。
3.2.4 反滤层要求
反滤层有排出渗水和保护土体颗粒不被带走的作用，反滤材料可用砂砾石料或土工织物，其主要用于细料和粗料之间的过渡区、渗透水流的出口处等，如坝趾排水棱体，粘土心墙和粗料坝壳之间等。
一般来讲，砂砾石料可按其粒径控制其透水性、保土性要求，其厚度通常为 200mm～300mm，其长度可根据渗透稳定确定；土工织物除具有足够的强度和耐久性外，可按其单位面积质量控制其透水性、保土性以及防堵性要求，一般要求其质量不小于180g/m2。
4 结语
总之，土石坝是历史最为悠久的一种传统坝型，因取材方便、投资较少、易于施工等而使用较为普遍。但由于种种原因，大部分已建土石坝都存在着渗漏问题。因此，从保障人民生命财产安全、经济发展、社会稳定等方面考虑，对渗漏严重的土石坝进行防渗加固是迫切需要的。