控制坝基的渗流变形[堤防工程渗流控制分析与研究]

控制坝基的渗流变形堤防工程渗流控制分析与研究 摘 要：堤坝防洪工程的渗流风险一直为水利工程界所关注。对堤防工程而言，渗流破坏会造成严重的后果。因此，堤防渗流的研究对于防洪安全具有重要意义。文中基于堤防工程特点及其渗流状态特点，分析了堤防工程中的渗流稳定性，提出了不同应用条件下的防渗墙的建造形式，对提高大坝安全稳定性具有指导意义。 关键词：水利防洪；堤防渗流；防渗墙 据统计，我国失事堤坝中约有30%是渗透破坏导致的，对堤防工程而言，由于设计参数选择和施工质量控制更为困难，其渗透破坏造成失事的比例会更高一些。而且我国防洪工程普遍存在防洪标准低的问题，其主要表现为设计标准偏低，堤防工程渗漏严重、边坡稳定性差等，坝身及堤基缺乏可靠的渗流控制措施。因此，堤防渗流问题日益凸显，加强堤防工程的除险加固工作己经迫在眉睫。本文针对该问题，在工程设计渗流工程措施技术论证的大量基础上，对堤防工程特点及其渗流状态进行了总结，对防渗墙的不同结构形式及其渗流控制效果影响因素进行了分析，然后指出了各自的设计原则和应用条件，有利于堤防除险加固方案的优化决策，。 1 堤防工程特点以及渗流影响因素分析 1.1 堤防工程堤线布置特点 堤防工程应尽可能利用现有堤防和有利地形，修筑在土质较好、比较稳定的滩岸上，留有适当宽度的滩地，尽可能避开软弱地基、深水地带、古河道、强透水地基，堤线应布置在占压耕地，拆迁房屋等建筑物少的地带，避开文物遗址，利于防汛抢险和工程管理，堤线应力求平顺，各堤段平缓连接，不得采用折线或急弯。 1.2 堤防工程堤基处理特点 堤基处理应满足渗流控制，稳定和变形的以下要求，堤基稳定应进行静力稳定计算，按抗震要求设防的堤防，其堤基还应进行动力稳定计算。竣工后堤基和堤身的总沉降量和不均匀沉降量应不影响堤防的安全运用。 1.3 堤防工程堤身设计特点 堤身结构应经济实用，就地取材，便于施工，并应满足防汛和管理的要求。堤身设计应依据堤基条件，筑堤材料及运行要求分段进行，堤身各部位的结构与尺寸 应经稳定计算和技术经济比较后确定。土堤堤身设计应包括确定堤身断面布置 填筑标准、堤顶高程、堤顶结构、堤坡与戗台、护坡与坡面排水、防渗与排水设施等。 1.4 渗流影响因素分析 水库沿坝基上部和水库水体沿坝基部经常会向外产生渗流。一般来说，渗流主要与堤基及堤防填筑材料的渗透系数有关，不同的堤基与填筑材料造成不同的渗流效果。 2 堤防渗流稳定性分析及渗流稳定性模拟 2.1 堤防渗流稳定性分析 堤防渗流稳定是指土体在渗流水的作用下发生各种渗流变形破坏的现象。堤防渗流稳定性可以看做是堤防在设计水位下是否超过堤防承载能力极限状态的情形。 堤防的渗流破坏是一种不同于漫溢失事（外部冲蚀破坏）的土工结构内部冲蚀破坏，有流土、管涌、接触冲刷和接触流土等多种破坏形式。只要堤防的临水侧和背水侧存在水头差，就有渗流产生。随着汛期水位的升高，堤身内的浸润线不断抬高，堤基和堤身内的渗透比降也逐渐增大。 2.2 渗流稳定性模拟 堤坝区渗流的稳定性可以通过渗流场随机模拟给出评价。大量的模拟水位能够给出任意一个模拟点水位分布的最大值、最小值等，水位均值等值线图和方差等值线图，很好地反映了模拟结果及其可靠性程度。 堤防稳定性渗流随机模拟结果可为重大工程设计提供切合实际的依据，并且可以进一步指导勘探工作。要提高水位模拟的可靠性，需要在坝尖的位置加密压水试验孔。水在土体中渗流可能出现某种形式的破坏，一般出现在坝坡和不同土层接触部位。 通常堤防渗流稳定性分析一般不考虑区域内介质各项水力运动参数的随机性。由于地层沉积过程的随机性，各项水力运动参数都具有空间变异性，正是由于介质的非均匀性和空间变异性，导致了渗透性能的空间变异性，而渗透性能的变异性又直接影响到水流的运动过程。堤防坡面的稳定性与渗流密切相关，所以有必要考虑介质的空间变异性进行堤防的随机渗流模拟，对各种可能出现的情况进行统计分析，以得到符合客观实际情况的结论和认识。 3 防渗墙的建造形式及其应用条件 3.1 防渗墙建造形式 防渗墙的建造是解决大坝渗流问题的基本方法，不同的防渗墙采用不同的渗流控制设计及防渗处理。本文分析了以下几种防渗墙的基本建造形式： （1）悬挂式防渗墙：悬挂式防渗墙的底面位于相对强透水层中，悬挂式防渗墙可以使堤身加固，深入堤基一定深度的悬挂式防渗墙还对渗透变形的扩展具有抑制作用。 （2）半封闭式防渗墙：半封闭式防渗墙穿过相对强透水层，进入相对弱透水层并与之一起形成统一的防渗结构体系。半封闭式防渗墙的关键是要有可靠的防渗依托层与防渗墙一起形成防渗结构。 （3）全封闭式防渗墙：全封闭式防渗墙也进入相对弱透水层中，但防渗墙底面所在相对弱透水层以下没有相对强透水层。 （4）常态混凝土防渗结构：通常在碾压混凝土坝体与坝基之间浇筑一层常态混凝土垫层，在坝体上下游面设常态混凝土作为防渗体，上下游防渗体与坝体碾压混凝土同步搭接浇筑上升。 （5）钢筋混凝土面板防渗结构：钢筋混凝土面板防渗结构通过面板的分缝来避免防渗体产生过大的温度应力，通过布设钢筋来限制裂缝的扩展。 （6）碾压混凝土自身防渗：采用碾压混凝土为填筑材料，充分发挥碾压混凝土的优势。 （7）变态混凝土防渗：变态混凝土防渗是在坝上游面一定的范围内碾压混凝土摊铺表面，泼洒适量的水泥浆，使该处的混凝土变成具有塌落度的类似常态混凝土，然后用人工插入式振捣器振捣。 （8）沥青混合料防渗结构：沥青混合料防渗结构是由沥青砂浆或沥青混凝土与上游面防护板组成。 3.2 防渗墙的应用形式 （1）悬挂式防渗墙：用于解决堤身裂缝、洞穴、土质非均匀性、填土密度的非均匀性等所带来的隐患是有效果的，但仅当防渗墙贯入比接近100% 时才会使堤基渗流状态有显著改善。 （2）半封闭式防渗墙：必须与多元结构堤基一起形成合理的防渗结构体系，才能起到改善堤防安全状态的作用。防渗依托层的厚度和渗透性是评价半封闭式防渗墙技术可靠性的关键因素。 （3）全封闭式防渗墙：以基岩透水性较弱或其强透水层位于深部而不会对堤后表层渗流状态发生影响作为前提条件，防渗底板的埋深，同样决定防渗墙的深度、工程量及施工难度，从而决定着全封闭式防渗墙的经济、技术可行性。 （4）常态混凝土防渗结构：防渗效果良好，但是，常态混凝土所占的比例过大，施工工艺复杂，对碾压混凝土施工干扰大，会影响防渗效果。 （5）钢筋混凝土面板防渗结构：防渗效果良好，面板后于坝体施工更有利于面板的防渗作用。 （6）碾压混凝土自身防渗：防渗效果难以保证，一般多采用以碾压混凝土自身防渗为基础的联合防渗结构型式。 （7）变态混凝土防渗：用变态混凝土取代常态混凝土作为防渗结构能确保两种混凝土的同步上升，避免由于不能及时变换混凝土品种而使层面间隔时间过长，从而大大减小了施工干扰，提高了施工速度。由于变态混凝土水泥含量相对较大，因此须适当增加坝体的分缝数量。 （8）沥青混合料防渗结构：沥青混合料的亲水性差，影响到与边坡和坝基的结合，并且防渗体自身施工工艺复杂，机械化程度较低，因此，防渗结构的耐久性尚无定论。 4 结 语 全文分析了堤坝防洪工程的特点，通过对使用中的堤坝进行调查分析、评价其渗流稳定性和安全性，对渗流稳定性采取了渗流场随机模拟，给