1 延安市黄河引水工程有限责任公司 陕西延安 716000 2 延安市黄河引水工程建设管理处 陕西延安 716000
摘要：对于水利工程项目而言，土石坝是在利用当地土石原料的基础上，对其做进一步的抛填与碾压堆筑等处理而成的。其优势主要体现在：结构简单、原料可就近获取、施工简便、造价低廉，对于施工建设区域的水文与地质条件等要求较低。而土石坝也有一个较大的缺陷，就是比较容易产生渗漏，一旦发生渗漏现象，如果不及时采取合理有效的处理措施，则会对人们的生命财产安全构成严重威胁。
关键词：水利工程；土石坝；防渗施工；技术
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石坝渗透变形的形式
2.1流土
在发生土石坝渗流现象时，泥土颗粒会出现一定程度的增大，被水流带走，同时，从坝体表层也会观察到隆起或者冲出现象。该情况主要发生在土石粒径均一的粘性土壤，或者是粘性较低的土体。在发生渗流现象时，通常还会伴随着严重的土体断裂、凸起与掉落等不良现象。
2.2管涌
管涌现象通常发生在土石坝的下方地基、下游坝坡出现渗流迹象的表层等常见位置，非粘性土壤的微小土粒在土石块的渗透作用下，不断地从孔洞中涌出，在达到一定速度以后，就会被冲刷带走。而如果不加干预，在长时间作用下，坝体中的土壤颗粒会被大量冲走，从而在原来位置留下一个空洞，当空洞增加到一定限度以后，则会导致土石坝的内部结构出现不可控制的变化，从而导致土石坝在渗透作用下发生不可控的变形问题。
2.3接触流土
对于土石坝而言，相邻土层之间的接触面也会存在渗入现象，通常是渗透系数较小的土层向渗透系数较大的土层进行渗透，上述接触性流动的土壤也会对土石坝造成严重损坏。
2.4接触冲刷
在土石坝的使用过程中，对接触冲刷现象所造成的损坏程度进行分析，可以得出土石坝使用年限等信息。在坝体渗流经过地基而产生接触的位置，以及与建筑物等接触系数存在差异的土层接触的过程中，粒径较小的土石会被冲走。对于接触冲刷现象而言，土石坝渗透变形的形式较为单一，只有在部分特殊情况下，才有可能出现两种或者两种以上并存的情况，而根据实际情况之间的差异性，包括渗透坡降情况、位置、土料状况等，需要对其进行针对性研究，并制定出合理有效的预防与保护措施。
3土石坝防渗技术
3.1深层搅拌桩防渗墙技术
深层搅拌桩防渗墙技术是近几年发展起来的一种防渗修补加固技术，采用一种特殊的浅层，充分搅拌桩机在钻头旋转和搅动时将建筑泥浆喷入土壤中。喷入泥浆层的桩包括水泥浆和原始土壤。抗混凝土系统的抗压强度比纯天然土的抗压强度高得多。渗透率调节系数小，完整性和水控性好。桩身重叠成一排，逐渐形成两个连续的壁，在防渗方面起到了很好的作用。该技术具有防渗效果好，成本低，适用范围广，效率低等最大优点。可广泛应用于中国的河堤、大坝等渗流截留和改造工程，具有较成熟的现场施工和运行经验。超出应用范围的是砾石粒径小于5cm的粘土，沙子，粉质粘土和砂土层，唯一的壁厚不应为18m，快速渗透系数1K<1-6cm/s。
3.2防渗水泥混凝土墙
防渗砂浆墙使用专有的镗孔金属机械相关设备开槽，墙面用土壤保护，混凝土通过管道倒入装满湿泥的凹槽中，并用沙子代替。它的最大特点是：（1）具有广泛的应用范围。它可以使用直径小于10毫米粉质砾石层，开挖深度约100m的砂土。（2）拦截效果更可靠，核心技术更加成熟，且建设项目的质量和适用性及可控性；（3）大型现场施工平台对缝隙稳定性能要求高，现场施工加速度慢，施工周期长，施工成本高。
3.3高压射流
这是一种更广泛使用的与防渗相关的措施，经过多年的深入研究和应用，已经开发出了相对逐步和完善的灌浆技术。它的现场施工技术是使用钻孔机打孔，然后将喷嘴管带到预定的最佳位置，使用高压喷嘴喷射低压射流造成冲击并损坏土壤，并且将其与注入的建筑材料浆混合。在土壤中形成不透水的壁，以达到不透水的最终目的。适用于含沙量大的粉质砂层和砾石粒径小于15cm的细砂层。它也用于防渗墙结构的交界处。最小壁深为40.0m，穿透系数K小于1.3。10-6厘米/秒根据山东省高压环境下各种喷灌技术的理论和实践，该核心技术受土壤材料的岩性，现场施工技术以及其他三个条件的影响很大。检查孔的组合是否紧密连接并不容易。单孔的倾斜角度不容易控制，有时最佳治疗结果并不是理想的目标。当水库水位变化很大时，不利于抽水阶段，特别是在灌浆期的封闭期。
入渗相对集中，水泥浆易于收集，灌浆质量水平难以保证，因此压力灌浆应在低水位下进行。
3.4垂直塑料铺设
使用液压切割和切割工具破坏土壤。沿坝体轴线并在坝体基础和坝体上形成宽度为18-30cm的连续深槽。将塑料薄膜垂直放置，最后填充松散干净的粉质壤土。防渗体系是由渗透性很低的塑料膜逐渐形成的，主要用于开挖深度小于115m的粘性砂层和砂土层，不适用于深度小于115m的细砂层。
3.5劈裂灌浆防渗
劈裂灌浆采取高压灌浆的处理方式，将浆液灌入土层以后，可以改变土层原本的性质，使土体发生剪切裂缝，浆液顺着所产生的裂缝，由强度低的地方向强度高的地方劈裂，顺利劈入的浆液固结形成防渗墙体，并与坝体紧密的连接在一起，起到有效的拦截渗漏的作用。劈裂灌浆防渗技术是一种新兴的土石坝防渗加固新技术，并逐渐得到推广与应用。该项技术主要适用于粉细砂与黏土层，对于这部分土体而言，颗粒浆材无法顺利顺入。该防渗施工技术的优点主要体现在原料易获取、施工简便、造价成本低廉以及防渗效果优良等方面。
3.6帷幕灌浆防渗
帷幕灌浆需要在特定的压力条件下，将浆液压入坝身或者坝基内部，以填充各部分土体之间存在的大量空隙，在对原有土层的结构与组成进行改造的基础上，依靠胶结作用得到连续的防渗帷幕。就目前而言，帷幕灌浆已经成为水利工程对地基进行防渗处理的重要手段，为水工建筑物的安全性与可靠性提供了重要保障。该项施工技术主要应用于局部透水性较强的岩基防渗，可以取得良好的防渗效果，且施工操作相对简单，无需投入较大成本。
3.7套井回填黏土防渗
在套井回填施工过程中，需要用到冲爪机进行造孔操作，将坝体渗漏的涂料取出以后，需要及时回填黏土，并将其夯实压平，得到具备防渗功能的黏土防渗墙。套井回填技术实现了对险堤险坝防渗处理，对于坝高较小的均质坝与宽心墙坝等相关类型而言，应用冲抓套井回填黏土防渗可以取得良好的防渗效果，具备施工设备要求低、施工便捷、材料来源广泛以及投资成本低等优点。
3.8充填灌浆
使用泥浆重量将泥浆注入大坝来充实坝体的隐藏问题，出铁孔通常放置在隐藏的危险之中或附近，需要应用到特异性相对较强的设备，非常简单，投资项目少，项目工期短，易于掌握，效果快。适用于小坝的渗漏，松峰里洞再接触区的排空，大坝的倒塌，大坝裂缝和密封胶的处理。应根据同一掘进关键对象的各种参数，更合理的井眼布置，控制掘进压力，调整土壤材料，并特别注意注浆时间，来确定黏土灌浆期的主要技术方面。
3.9序贯灌浆
壳地质构造旋挖机钻孔，高压冲洗，然后倒入建筑材料浆。自20世纪和20世纪成立以来，帷幕抽查期已成为直接处理水力发电行业各种建筑物的岩石基础防渗的两个方面。灌溉后，获得并控制了基岩的渗透率。序幕的深度应基于上述建筑物的重要性，翡翠质地的大小和形状以及水文地质条件，需全面分析，进而基本确定快速渗透性和不渗透性。
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。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。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。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。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。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。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。
结论
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。
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作者简介：
冯四保，男，1983年生，延安子长人，工程师，工作单位：延安市黄河引水工程有限责任公司
郭慧，女，1987年生，延安延长人，工程师，工作单位：延安市黄河引水工程建设管理处