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水利工程论文-略论土质堤坝渗漏的主要成因及其相应对策.doc

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水利工程论文-略论土质堤坝渗漏的主要成因及其相应对策.doc

水利工程论文略论土质堤坝渗漏的主要成因及其相应对策摘要渗漏是水库和堤防工程的常见的病险形式之一。本文扼要论述了土质堤坝渗漏的主要形式、成因,同时结合工程实践,介绍了几种紧急状态时的处理方法和相应对策。关键词土质堤坝渗漏成因种类对策水库堤防渗漏(SeepageofReserviorandlevee)通常是指水体向围护区(库盆、堤防保护区),以外渗流而产生水量漏失的现象1。如其渗漏量较大,将显著降低水库效益降低软弱结构面强度,使某些岩土或断裂带充填物产生渗透变形造成相邻低谷、洼地或坝基扬压力增加下游地下水位抬升、建筑物地基浸没、失稳引起坝肩、坝体滑动等环境地质问题,造成下游农田浸没和盐渍化等,但由于这种渗漏现象通常是徐变渐进的,一般不会立即造成水库堤防溃决、垮坝等灾难性后果。本文主要论述水库、堤防、非常溢洪道等永久性或半永久性挡水建筑物的渗漏问题,同时结合工程实践,提出相应的应急措施和处理方法。1、渗漏的主要表现形式土质堤坝的渗漏,常见的有坝基渗漏(Seepagethroughdamfoundation),坝体渗漏(Seepagedam)、涵闸渗漏(Seepageconduitandlock)、接触渗漏(Seepagecontact)、绕坝渗漏(Seepagethroughdamabutment)和溢洪道渗漏(SeepageSpillway)等,现分述如下坝基渗漏通常是指水体沿坝基和坝肩透水岩土带渗流而发生漏失水量的现象。由于土石坝对地基强度的要求不高,因此基础的防渗处理好坏直接关系到土石坝的运行安全。有些水库地基基础复盖层很深,或其基岩为透水岩土带,如未胶结或胶结不好的砂砾石层,砂砾岩、砂岩、岩体风化带或裂隙透水带岩浆岩,非岩溶化沉积岩和变质岩中的断层、裂隙密集带玄武岩、安山岩等喷出岩的柱状节理,层间裂隙和岩熔洞穴还有一类为岩溶透水带,如石灰岩、白云岩、大理岩、页岩、泥质页岩等。建设时由于经费或其它种种原因对地质情况未予探明或探知后未得到妥善处理,结果在运行多年后,隐患逐步暴露并造成坝基、坝肩严重漏水。如我市安吉县老石坎水库(大(二)型),其非常溢洪道的三级自溃坝就位于厚度210m,透水性较强(33LU)的钙质页岩的风化破碎带上,由于原工程施工时,原坝基未进行彻底处理,部分坝基未挖至基岩,两岸山坡及中间分隔墩的墩体均为厚度115m的强风化岩,而隔墩周边的挡水墙又是采用整体性和防渗性能相对较差的浆砌块石和地产的325#水泥砌护,结果在99.6.30洪水期间出现了全坝段、大面积的集中渗漏湖州市区妙西乡的盛坞、利山水库,91年市区旄儿港腊山段施工围堰等均存在着上述情况。坝体渗漏主要是指水体透过坝身渗流而造成水量流失的现象,由于土质堤坝是由土料构筑的,而土料具有一定程度的透水性,在持续高水位下,如果填筑的土料选择不当或夯压不实,渗透到坝体内部的水分即会相应增加,浸润线和出逸点也会明显抬高,如不及时处理,就可能发生滑坡、漏洞、塌坑等,因而对土质堤坝的安全和稳定危害很大,其演变过程通常是从润湿散浸集中渗漏流土、管涌溃决。如湖州市区南埠乡库容2万m3的银家坞山塘曾在91年洪灾中发生溃决,事后勘查,发现该山塘溃决的主要原因是坝型不合理(反拱型)、加上坝身单薄,白蚁洞穿土坝拱端,发生持续高水位时,蚁道贯通坝体并形成集中渗漏和流土,最后导致溃决。99.6.30决,也是由于堤身单薄,背水坡堤脚有塘,加上白蚁危害。洞穿堤身,最后在高水位时发生漏水、塌坑、流土而最终溃决。涵闸渗漏是指水体通过涵闸破损断裂部位或因周边止水失效,或因闸身不均匀沉陷导致闸体变形并在其周边接触处发生的水体流失现象。如我市导流西大堤埭溪老翻水站一侧就有一闲置不用的5m大闸,因基础沉陷、闸身变形,造成闸身周边漏水,93年洪水期间,该闸的漏水量高达2.0m3/s。至于水库涵闸漏水的情况更是屡见不鲜,如1996年春,我市最早兴建的一座西羊山水库,就因大坝不均匀沉降造成分级卧管断裂和底孔闸门严重漏水安吉县大河口水库1998年则因高水位时涵洞高压水流洞穿顶部上缘一处废弃的放水涵管的封口闸板,造成出水段背水坡一侧大面积渗流,其渗流最高达50L/S。接触渗漏主要是水体沿坝体与山体结合部或风化岩层处向下游地区渗流的现象,最典防渗处理而且岩层又倾向下游,从而形成集中渗漏,91年洪水期间,其渗流最高达1012L/S。市区的盛坞、革命等水库也有类似情况。溢洪道渗漏如加以归类也可列入接触渗漏,最常见的有三种。一是水库大坝加高时,对原遗留的临时溢洪道部位未作妥善处理,结果在结合层面上发生渗水,如80年代初市区乔溪乡红旗水库的左坝头发生的渗水就属于这种类型二是溢洪道位于土基或风化岩基上而基础又未作很好处理,结果在高水位时造成库水沿溢洪道基部向下游渗流,如安吉县椅子塔、杨树坞,长兴县顾渚、牛角冲水库、市区石桥坞、三涧头等十多座小(二)型水库和山塘就属于这种情况三是对溢洪道与坝体导水墙和底板结合部,未作有效的防渗处理,导致高水位泄洪时,水流向坝体一侧渗流,如市区妙西乡霞幕山水库的渗漏就是由上述二、三种原因合并产生的。2、渗漏成因分析造成土质水库堤坝渗漏的原因错综复杂2,但概括起来,无非有以下几种原因2.1设计上的缺陷五、六十年代群众性水利运动时,我国和各省市曾成功地修建了一大批水利工程,其丰功伟绩也是有目共睹的,但囿于当时的技术和认识水平,加上片面地追求高速度和土法上马,许多小型水利工程采取边勘测、边设计、边施工的方法,致使许多工程缺乏规范的图纸,即仓促上马在设计思想上则片面追求多快好省,并盲目照搬苏联经验,大量采用了坝下涵管、经济管径和经济边坡而未认真考虑放水、检修、泄洪和电站扩容等需求,致使溢洪道和放水涵管尺寸偏小,坝身过于单薄或坝坡偏陡,部分水库防渗体断面偏小少数小(二)型水库甚至未在坝后设置反滤措施,从而导致出逸点偏高和大面积散浸及漏水。2.2施工上的缺陷主要是五六十年年代开展的群众性水利运动中,缺少必要的质量监测和控制手段,致使辗压强度不够或填筑土料多杂质并有较大土块(猪肝土等)未予充分粉碎夯实或每层填筑厚度过大(≧40cm),分段施工接头处又未能作有效搭接另一种常见的通病是大坝经多次加高时,新老土结合部往往未作有效处理,从而出现结合层面上的分层现象并导致水平向渗水三是大坝加高时,防渗体(心墙、斜墙等)与坝体和两侧山坡结合部未筑嵌槽或作妥善处理四是溢洪道与坝体、山体的连接部分以及导水墙等,未作有效的防渗或截渗处理坝后排水反滤体质量差或失效,从而造成浸润线和出逸点抬高,渗水从坡面上逸出。如安吉县天子岗水库、长兴县宿子岭水库(中型)的渗漏就是这种情况五是坝下涵管未设截水环或设置过少,加上基础软硬不一,导致涵管变形折断和漏水等。2.3地质上的缺陷由于受经费和开工期限制约,绝大部分小(二)型水库及重要山塘在营建前均未作地质勘探,部分水库由于建于溶岩或复盖层很深的地区,施工时又未很好开挖或无法挖到新鲜基岩发现问题后也未修筑防渗铺盖或实施帷幕灌浆,最后导致坝基渗漏和坝后沼泽化,如安吉县姚坞水库、市区陆家庄水库就是这种情况。还有些水库堤防为了减少填筑方量和节约投资,常将严重风化或节理发育破碎的部分山包、岗垅未作处理或略作处理后,即作为坝体的一部分,从而造成坝体渗漏,如湖州市梅峰乡的三八水库,其主副坝和连接的山包在水库满蓄或库区下大雨、暴雨时,其山体坡脚处就有二、三处集中的渗水漏洞,渗流量可达56L/s。2.4材料上的缺陷在五六十年代兴建水库时,由于三材十分匮乏,为赶进度部分圬工建筑物被迫采用地产土水泥和石灰作胶结材料,如丽水地区缙云县在文革前后大搞冬修水利运动时,就曾土法上马采用陶、木、素混凝土或用凝灰岩凿成外方内圆的涵管作为放水建筑物,由于这些涵管强度低,抗腐蚀能力差,结果留下了漏水和剥蚀的隐患部分水库由于缺乏优质土料,甚至采用含水量及腐植质极多的水稻土、淤泥质粘土、腐质土或砂壤土作为坝体填筑材料,从而造成坝体不均匀沉陷和漏水,如市区南埠乡陆家庄水库坝体坝基漏水十分严重,81、82年进行套井回填处理时发现用冲抓抓取的土样中有不少为黑色发臭并带有稻根的水稻土,干容重r≤1.2g/m3。2.5运行管理上的缺陷实行联产承包责任制后,不少小(二)型水库和山塘长期处于无人管理的状态,致使启闭设施、涵闸、拉杆严重失修和锈蚀,如市区青山乡的六十亩、梅峰乡的三八、五四等水库即是如此,结果在汛期或干旱季节无法正常启闭,从而造成无益弃水或大量漏水。2.6蚁害、兽害早在2300多年前,韩非子就提出了千里金堤,溃于蚁穴的著名论断。1998年长江洪水,荆江大堤,以及99630洪水杭州、德清的西险大塘均曾发生数十处漏水、跌窝等险情后,经查明其绝大多数均为黑翅土栖白蚁危害所致。根据我市1975年5至6月对全市96座水库山塘普查的结果,有白蚁的达78座,蚁害率高达81.25%。历史上我市对河口、老石坎、天子岗、石冲、五丰等一批大中型水库均曾发生过严重的白蚁危害。如安吉县良朋乡的石冲水库在八十年代即发现白蚁危害,后采取局部毒土灌浆和毒饵杀灭后仍未奏效,1996年4月防汛检查时,发现水库大坝有十多处被白蚁洞穿,并在中端一处老山包上挖出一直径21.21m的特大型蚁巢又如市区南埠乡95年一座新建的福坞水库,在开挖齿槽两侧时,就在开挖的上缘部分发现2个直径为0.50.50.5m的黑翅土栖白蚁的大型蚁巢,由于土栖白蚁具有广布性、隐蔽性、渐进性和再生性,从其入侵、滋生、繁衍、扩展并产生危害一般需8-9年,因而常常会被人们忽视,如果不及时加以杀灭、挖除或采取灌浆充填和毒土处理,就有可能在持续高水位时发生漏水、跌窝和溃决。3、紧急状态时的主要对策上堵(截)下排,是水库堤防防渗抢险时必须遵循的一个基本原则,即在迎水面迅速查明漏水部位,并及时截断漏水来源,同时在背水坡渗漏部位,采用反滤导渗和压渗,以防止流土和险情进一步扩大3。切忌在背水坡渗水处用不透水材料进行强堵,以免酿成更大的险情。一切抢险方案和预案均需按照这个原则进行制定。根据我市83、84、91、92和99.6.30洪水期间一批水库堤防的抢险实践经验表明,如遇险情,必须迅速抽调1至数名富有实践经验,有一定权威和能相互协调的技术人员以及一名头脑冷静并能果断决策的领导到现场指挥,在查明原因并制定切实可行的抢险方案后,为防止险情扩大,必须立即调集劳力、抢险物资,统一指挥抢险,切忌群龙无首,众说纷纭和犹豫不决,以免贻误战机。根据多次实战经验来看,堤防抢险堵漏的主要手段是临水截渗,稳定坝坡。即在迎水面离堤脚2-3米处抛石以加固堤脚、消杀水势,同时可采用土工膜(布)、彩条布贴面截渗或用有内衬塑料薄膜的编织袋加土封堵如库水深,风浪不大,附近又有丰富的粘性土料时,也可在迎水坡一侧或利用船排,由上而下,由里而外慢慢倒土,使其在漏水一侧沉积固结,以达到封堵闭气的目的如库水位较浅也可在水面以下用松木椿和土袋筑一围堰,然后在围堰内倒土夯实并做好标识。如发现渗水漏洞时,也可用棉絮或铁锅覆罩,然后用土袋封堵,必要时也可采取沉船封堵。在背水面渗水处则可用有反滤导渗能力的土工布、编织袋(布)摊铺贴护并加压块石或砂石料进行压渗,本办法能最大限度地调配和使用劳力,并可避免窝工,同时还可避免背水坡修筑的燕子窝(月堤)在持续高水位或迎背水坡水位差过大时产生的土体松软、坍塌和渗水面积进一步扩大的危险。如果一时调集不到土工织物和砂石料时,也可利用各地盛产的芦竹、芦苇、柳条、松枝、稻草、麦杆等梢料用绳索扎紧后,分层贴铺在渗水部位,以防土体被水流带出。99.6.30洪水期间,我们在导流东大堤抢险时,即采用上述办法并取得较好的效果。对于水体较深的水库特别是涵管严重漏水、启闭机又无法正常启闭的情况下,可采用双层编织袋,中间衬以旧棉絮,再用尼龙线或聚乙烯线缝缀成米字形,并在四角各系长绳,底纲上则悬吊块石作为沉子,然后在岸边和用船排12只将衬有棉絮的编织袋缓缓投入渗漏部位,利用负压和牵引绳索使编织袋紧贴漏水部位,再抛置土袋贴坡加固,如我市城区南埠乡的陆家庄水库、菱湖区青山乡的六十亩水库、梅峰乡的三八水库均曾采用此法进行抢险并取得较好的效果。当水库堤坝发生持续高水位时,由于渗透流速加大,渗透坡降变陡,如渗透坡降大于地基表面弱透水层或坝体防渗层允许的渗透坡降时,会在背水坡坝脚附近发生渗流破坏并形成管涌和流土,这时的抢护原则为反滤导渗,控制涌水,留足渗路,这样可使粉细砂层不再破坏,又可降低渗水压力,从而使险情得以稳定。其常用的抢险办法为为反滤压盖,即用土工织物,砂石、梢料反滤压盖,并以制止涌水带出细沙和使浑水变清,稳定险情为原则也可在管涌流土处抢筑反滤圈井或减压滤井,前者适用于管涌流土数目不多,面积不大的情况,后者适用临背水头差较小,高水位持续时间短,管涌或流土周围地表坚实、完整、渗透性较小且未遭破坏和出险处较少的地段,常用的有无滤层圈井或用无底木桶、铁桶紧套在出水口上面,四周再用袋围筑当背水坡脚出现分布范围较大的管涌群时,也可抢筑月堤,截蓄涌水直到制止涌水带沙和险情稳定也可修筑透水压渗台或水下抛填反滤层等。对流土抢护(俗名牛皮胀),则可在隆起部位铺垫稻草、芦竹、柳枝等梢料,然后上压土袋或块石。4、水库堤坝渗漏抢险后的治理水库堤坝渗漏经紧急抢险并转危为安后,应进一步查明病因,并对症下药彻底根治。对于坝基渗漏通常可用垂直截渗(混凝土防渗墙、帷幕灌浆)、设置水平或斜坡式铺盖,排水减压岩溶地区通常采用混凝土堵塞和隔离,以便将渗透比降、扬压力和渗透压力控制在允许范围内对于坝体和堤防的渗漏,常见的处理方法有压力灌浆,劈裂灌浆,套井回填,加做粘土或混凝土连锁截水墙在迎水面采用土工膜防渗处理下游面采取导渗沟或采取贴坡排水、褥垫排水或加做反滤层以降低出逸点高度对于涵管漏水通常可采取环氧树脂补漏、钢丝网水泥喷浆加固、化学灌浆或另打隧洞对于抗渗性较差的断层破碎带,通常是在断层破碎带与建筑物基岩防渗帷幕轴线的相交处,沿断层的倾向开挖竖井、斜井或平洞,同时清除软弱破碎物质再回填混凝土,对于混凝土与断层上下盘基岩的接触面则应进行灌浆处理对于接触渗漏处的风化岩层则可采取水泥灌浆对于白蚁巢穴可采取0.2%克蚁星或伊维菌等生物农药进行毒土冲填灌浆和药物防治,其处理办法,在一般技术书刊中均有详细介绍,故本文不再详述。5、讨论与小结(1)渗漏是土质堤坝的常见病、多发病,也是水工程管理单位的心腹之患。通常情况下,有一个从局部散浸渗水集中渗漏流土塌方溃决和量变到质变的过程对此,务必不能掉以轻心,俗话说千里金堤,溃于蚁穴,因此,必须治早、治好、抓早、抓了。湖州市1998年起,先后对全市500多座山座水库150多公里重点堤防进行了普查和防治工作,在摸清情况、查明病因后,制订相应的除险加固方案,并建立和健全工程的资料档案,然后结合标准化水库和标准堤建设,根据轻重缓急,分期分批进行治理。由于处理得力,91年以来,全市未发生库塘溃决的情况,白蚁对土质堤坝的危害率也从1991年的88.9%降低到1999年的7.14%。(2)防治渗漏的基本原则是上堵下排,临背并举,这在抢险和汛后处理时都必须严格遵循。(3)土质堤坝渗漏的原因是错综复杂的,必须通过查、辨、问、切,才能对症下药,药到病除,如91年汛期市区南埠乡麦坞水库发生了大面积散浸和集中漏水,为确保水库安全,曾有人建议用炸药将溢洪道炸低,以利泄洪和降低库水位,后笔者到现场查勘后,发现该水库渗水均处在溢洪道底部以下1米处,经查阅文献资料,并询问原施工人员,才知大坝加高时,顶部4米填土均采用透水性较强的砂性土和砂壤土,由于水库长期处于高水位,再加上连续暴雨,致使水库出现大面积散浸和十多处小股渗水,但水质十分清沏,后采取降低水位,空库度汛,汛期结束后,立即组织力量采取套井回填处理,套井回填深度也确定为溢洪道底部以下2米,实际处理深度仅6米,经处理后防渗效果良好,至今未再发现渗漏。(4)为彻底根除坝下涵管的渗漏,有条件的工程管理单位,最好另打隧洞,以策安全。如我市市区的陆家庄、利山、照山等3座库通过另开隧洞后,大大减轻了水库坝身渗漏的隐患并提高了水库的腾空和调洪能力。(5)土栖白蚁危害具有广布性、渐进性、长期性、重复性、再生性、隐蔽性等特点,对水库堤防的安全威胁极大,99.6.30特大洪水期间杭州至德清段就曾多次发现因蚁害造成的流土、坍方、渗漏等威胁,因此必须做到长防长治,警钟长鸣,才能保持土质堤防的长治久安。(6)土工织物和砂石料是水库堤坝除险治漏的理想材料,今后应列入防汛抢险的必备物资。参考文献1、崔宗培等,中国水利百科全书,北京水利电力出版社,1991.31、16552、牛运光,土坝安全与加固,北京水利电力出版社,1998.3193223、水利部水利管理司等。防汛与抢险,北京水利电力出版社,1995.3283,1251314、张俊华等,河道整治及堤防管理,郑州黄河水利出版社,1998.130156Themostlycauseanditscorrespondingcountermeasuresoftheearthdykeseepage

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