土石坝渗漏的处理技术讲义

2015.04水利工程管理技术土石坝渗漏的处理

主讲人：胡昱玲黄河水利职业技术学院土石坝渗漏的处理土石坝渗漏的处理土石坝渗漏的处理由于土石坝属于散粒体结构，在坝身土料颗粒之间，仍然存在着较大的孔隙，再加之土石坝对地基地质条件的要求相对较低，在土基或较差的岩基上均可筑坝。因此水库蓄水后，在水压力的作用下，渗漏现象是不可避免的。渗漏通常分正常渗漏和异常渗漏。如渗漏从原有导渗排水设施排出，其出逸坡降在允许值内，不引起土体发生渗透破坏的则称为正常渗漏；相反，引起土体渗透破坏的称为异常渗漏。异常渗漏往往渗流量较大，水质浑浊，而正常渗漏的渗流量较小，水质清澈，不含土壤颗粒。渗漏问题是病险土石坝主要病害之一。土石坝渗漏按沿坝身、坝基和绕过坝端渗向下游三种途径分为坝身渗漏、坝基渗漏及绕坝渗漏。这些渗漏过大时将造成以下危害：1．损失蓄水量一般正常的渗漏所损失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、坝基或绕坝渗漏。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。一、渗漏的类型及危害

1土石坝渗漏的处理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。显然，对于土石坝的异常渗漏，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。土石坝渗漏处理措施可分为水平防渗和垂直防渗两大类，其原则为上堵下排。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滤和导渗设施，将坝内渗水尽可能安全地排出坝外，以达到渗透稳定，保证工程安全运用的目的。目前，我国水库土石坝常用的防渗加固处理措施主要有混凝土防渗墙、高压喷射灌浆、劈裂灌浆、土工膜及其他防渗加固方式。土石坝渗漏的处理1（一）坝身渗漏的形式及原因坝身渗漏的常见形式有：散浸、集中渗漏、管涌及管涌塌坑、斜墙或心墙（斜墙）击穿等。坝体浸润线抬高，渗漏的逸出点超过排水体的顶部，下游坝坡呈大片湿润状态的现象，称为散浸。而当下游坝坡、地基或两岸山包出现成股水流涌出的现象，则称集中渗漏。坝体中的集中渗漏，逐渐带走坝体中的土粒，形成管涌。若没有反滤保护（或反滤设计不当），渗流将把土粒带走，淘成孔穴，逐渐形成塌坑。当集中渗流发生在防渗体内，亦会使土料随渗流带出，即所谓的心墙（斜墙）击穿。造成坝身渗漏的主要原因有以下几个方面：1.坝身尺寸单薄，特别是塑性斜墙或心墙厚度不够，使渗流水力坡降过大，造成斜墙或心墙被渗流击穿而引起坝体渗漏。土石坝渗漏的处理二、坝身渗漏的原因及处理方法12.排水体在施工时末按设计要求选用反滤料或铺设的反滤料层间混乱，甚至被削坡的弃土或者因下游洪水倒灌带来的泥沙堵塞等原因，造成坝后排水体失效，而引起浸润线抬高。也有因排水体设计断面太小，排水体顶部不够高，导致渗水从排水体上部逸出坝坡。3.坝体施工质量差，如土料含砂砾太多，透水性过大，或者在分层填筑时已压实的土层表面未经刨毛处理，致使上下土层结合不良；或铺土层过厚，碾压不实；或分区填筑的结合部少压或漏压等，施工过程中在坝体内形成簿弱夹层和漏水通道，从而造成渗水从下游坡逸出，形成散浸或集中渗漏。4.坝体不均匀沉陷引起横向裂缝；或坝体与两岸接头不好而形成渗漏途径；或坝下压力涵管断裂，在渗流的作用下，发展成管涌或集中渗漏的通道。5.管理工作中，对白蚁、獾、鼠等动物在坝体内的孔穴未能及时发现并进行处理，以致发展成为集中渗漏通道。6.冬季施工中，填土碾压前冻土层没有彻底处理，或把大量冻土填入坝内，形成软弱夹层，发展成坝体渗漏的通道。土石坝渗漏的处理1（二）坝身渗漏的处理方法坝身渗漏的处理，应按照“上堵下排”的原则，针对渗漏的原因，结合具体情况，采取以下不同的处理措施。1．斜墙法斜墙法即在上游坝坡补做或加固原有防渗斜墙，堵截渗流，防止坝身渗漏。此法适用于大坝施工质量差，造成了严重管涌、管涌塌坑、斜墙被击穿、浸润线及其逸出点抬高、坝身普遍漏水等情况。具体按照所用材料的不同，分为粘土斜墙、沥青混凝土斜墙及土工膜防渗斜墙。1）粘土防渗斜墙。修筑粘土斜墙时，一般应放空水库，揭开护坡，铲去表土，再挖松10～15cm，并清除坝身含水量过大的土体，然后填筑与原斜墙相同的粘土，分层夯实，使新旧土层结合良好。斜墙底部应修筑截水槽，深入坝基至相对不透水层。如果坝身渗漏不太严重，且主要是施工质量较差引起的，则不必另做新斜墙，只需降低水位，使渗漏部分全部露出水面，将原坝上游土料翻筑夯实即可。土石坝渗漏的处理1当水库不能放空，无法补做新斜墙时，可采用水中抛土法处理，即用船载运粘土至漏水处，从水面均匀抛下，使粘土自由沉积在上游坝坡，从而堵塞渗漏孔道，不过效果没有填筑斜墙好。2）沥青混凝土斜墙。在缺乏合适的粘土土料，而有一定数量的合适沥青材料时，可在上游坝坡加筑沥青混凝土斜墙。沥青混凝土几乎不透水，同时能适应坝体变形，不致开裂，抗震性能好，工程量小（因其厚度约为粘土斜墙厚度的1/40～1/20），投资省，工期短。我国在修筑沥青混凝土斜墙方面已积累了相当丰富的经验，故近年来，用沥青混凝土做斜墙处理坝身渗漏已受到广泛的重视。3）土工膜防渗斜墙。土工膜的基本原料是橡胶、沥青和塑料。当对土工膜有强度要求时，可将抗拉强度较高的绵纶布、尼龙布等作为加筋材料，与土工膜热压形成复合土工膜，成品土工膜的厚度一般为0.5～3.0mm。土工膜加固的优点是重量轻，运输量小，铺设方便；柔性好，适应坝体变形；耐腐蚀，不怕鼠、獾、白蚁破坏；施工简便，速度快，易于操作，节省造价；施工质量容易保证。缺点是施工时需要放空水库；抗老化性能不如混凝土材料；用于挡水水头超过50m的大坝需要进行专门论证。土石坝渗漏的处理1土工膜与坝基、岸坡、涵洞的连接以及土工膜本身的接缝处理是整体防渗效果的关键，沿迎水坡坝面与坝基、岸坡接触边线开挖梯形沟槽，然后埋入土工膜，用粘土回填；土工膜与坝内输水涵管连接，可在涵管与土坝迎水坡相接段，增加一个混凝土截水环，由于迎水坡面倾斜，可将土工膜用沥青粘在斜面上，然后回填保护层土料；土工膜本身的连接方式常有搭接、焊接、粘结等，其中焊接和粘结的防渗效果较好。近年来，土工膜材料品种不断更新，应用领域逐渐扩大，施工工艺亦越来越先进，已从低坝向高坝发展。2．充填式灌浆法灌浆法的主要优点是水库不需要放空，可在正常运用条件下施工，工程量小，设备简单，技术要求不复杂，造价低，易于就地取材。适用于均质土坝，或者是心墙坝中较深的裂缝处理。具体方法与裂缝灌浆法相同。如某均质坝，坝高37m，因坝体压实质量差而造成渗漏，经研究分析，采用坝体灌浆处理。灌纯粘土浆，灌浆孔一排，孔距2m，采用分段灌注，每段5m。第一段灌浆压力为70～100kPa，以后深度每增加lm，压力提高10kPa，但控制最高压力不超过300kPa，灌浆期间水库最大水头为27.5m。经过处理后渗流量减少73％～86％，坝体浸润线也明显下降。土石坝渗漏的处理13．防渗墙法防渗墙法即用一一定的机具，按按照相应的方式式造孔，然后在在孔内填筑具体体的防渗材料，，最后在地基或或坝体内形成一一道防渗体，以以达到防渗的目目的。具体包括括：混凝土防渗渗墙、粘土防渗渗墙两种。混凝土防渗墙。。混凝土防渗墙墙加固方法，就就是沿土石坝的的坝轴线方向建建造一道混凝土土防渗墙。防渗渗墙可建在坝体体部分，也可深深入到基岩以下下一定深度，以以截断坝体和坝坝基的渗漏通道道。混凝土防渗渗墙加固的优点点是适应各种复复杂地质条件；；可在水库不放放空的条件下进进行施工；防渗渗体采用置换方方法，施工质量量相对其他隐蔽蔽工程施工方法法比较容易监控控，耐久性好，，防渗可靠性高高。1）我国最早使用用混凝土防渗墙墙对大坝进行加加固的是江西柘柘林水库黏土心心墙坝，之后又又在丹江口水库库土坝加固中得得到应用。早期期防渗墙主要采采用乌卡斯钻机机钻凿法施工，，成墙厚度0.8～1.0m，价格在1000元/m2以上。20世纪80年代后，施工工工法又出现了锯锯槽、液压开槽槽、射水及薄抓抓斗等多种成墙墙方法；墙体厚厚度也愈来愈薄薄，在土层、砂砂层或砂砾层，，可减薄到0.1m，造价减到100元/m2左右；墙体深度度也愈来愈大，，如黄河小浪底底右岸坝基防渗渗墙深度已达到到81.9m；应用范围由早早期坝基防渗加加固和围堰工程程，又扩展到病病险水库土石坝坝防渗加固中并并获得了好效果果。土石坝渗漏的处处理12）粘土防渗墙。。利用冲抓式打打井机具，在土土坝或堤防渗漏漏范围的防渗体体中造孔，用粘粘性土料分层回回填夯实，形成成一个连续的粘粘土防渗墙。同同时，在回填夯夯击时，对井壁壁土层挤压，使使其井孔周围土土体密实，提高高坝体质量，从从而达到防渗加加固的目的。具具体施工是在坝坝顶布置的防渗渗墙轴线上，用用冲抓钻造孔，，开孔直径一般般要求110～120cm，第一钻孔达达到设计深度度后，对钻孔孔进行检查并并清除孔底浮浮土碎石，然然后回填符合合设计要求的的粘土。回填填层厚25～35cm并夯实。而后后，再打第二二孔，相邻两两孔之间应有有一定的搭接接宽度，以保保证粘土防渗渗墙的有效厚厚度。具体厚厚度可由粘土土允许水力坡坡降确定。实践证明，粘粘土防渗墙法法具有机械设设备简单、施施工方便、工工艺易掌握、、工程量小、、工效高、造造价低、防渗渗效果好等优优点。需注意意的是，此法法仅适用于坝坝体渗漏处理理，孔深一般般不超过25m，过深易发生生偏斜。土石坝渗漏的的处理14．劈裂灌浆法法所谓劈裂灌浆浆就是应用河河槽段坝轴线线附近的小主主应力面一般般平行于坝轴轴线的铅垂面面的规律，沿沿坝轴线单排排布置相距较较远的灌浆孔孔，利用泥浆浆压力，沿坝坝轴线劈开坝坝体并充填泥泥浆，从而形形成连续的浆浆体防渗帷幕幕。劈裂灌浆具有有效果好、投投资省、设备备简单、施工工方便等优点点。对于均质质坝及宽心墙墙坝，当坝体体比较松散，，渗漏、裂缝缝众多或很深深，开挖回填填困难时，可可选用劈裂灌灌浆法处理。。下面仅介绍绍劈裂灌浆与与充填灌浆不不同的一些特特点。1）劈裂灌浆的的机理。一是是泥浆劈裂过过程。当灌浆浆压力大于土土体抗劈力（（即灌浆孔段段坝体的主动动土压力）时时，坝体将沿沿小主应力方方向产生平行行于坝轴线的的裂缝。泥浆浆在压力作用用下进入坝体体裂隙之中，，并充填原有有的裂缝和孔孔隙。二是浆浆压坝过程。。即泥浆进入入裂隙后，仍仍有较大压力力，压迫土体体，使土体之之间产生相对对位移而被压压密。三是坝坝压浆过程。。随着泥浆排排水固结，压压力减小，坝坝体回弹，反反过来压迫浆浆体，加速浆浆液排水固结结。经泥浆充充填，浆坝互互压和坝体湿湿陷等作用，，不仅充填了了裂缝，而且且使坝体密实实，改善了坝坝体的应力状状态，有利于于坝体的变形形稳定。土石坝渗漏的的处理12）灌浆孔的布布置。劈裂灌灌浆沿坝轴线线单排布孔，，第一序孔间间距约为坝高高的2/3，分2～3道孔序，一般般30～40m高的坝最终孔孔距以10m为宜。另外还还应具体将坝坝体分段，区区别对待。因因大坝岸坡段段和曲线段的的小主应力面面偏离坝轴线线，故在岸坡坡段应缩小孔孔距，减小灌灌浆压力和每每次灌注量，，使防渗帷幕幕通过岸坡段段。在曲线段段应沿坝轴线线不分序钻孔孔，间距3～5m，反复轮灌，，形成连续的的防渗帷幕。。3）灌浆施工。。劈裂式灌浆浆多采用全孔孔灌注法。全全孔灌注法分分孔口注浆和和孔底注浆两两种。实践证证明，孔底注注浆法在施加加较大压力和和灌入较多浆浆料的情况下下，外部变形形缓慢，容易易控制，能基基本实现“内内劈外不劈””。5．导渗法上面几种均为为坝身渗漏的的“上堵”措措施，目的是是截流减渗，，而导渗则为为“下排”措措施。主要针针对已经进入入坝体的渗水水，通过改善善和加强坝体体排渗能力，，使渗水在不不致引起渗透透破坏的条件件下，安全通通畅地排出坝坝外。按具体体不同情况，，可采用以下下几种形式。。土石坝渗漏的的处理11）导渗沟法。。当坝体散浸浸不严重，不不致引起坝坡坡失稳时，可可在下游坝坡坡上采用导渗渗沟法处理。。导渗沟在平平面上可布置置成垂直坝轴轴线的沟或人人字形沟（一一般45°角），也可布布置成两者结结合的Y形沟。三种形形式相比，渗渗漏不十分严严重的坝体，，常用I型导渗沟；当当坝坡、岸坡坡散浸面积分分布较广，且且逸出点较高高时，可采有有Y型导渗沟；而而当散浸相对对较严重，且且面积较大的的坝坡及岸坡坡，则需用W型导渗沟。土石坝渗漏的的处理几种导渗沟的的具体做法和和要求为：①①导渗沟一般般深0.8～1.2m、宽0.5～1.0m，沟内按反滤滤层要求填砂砂、卵石、碎碎石或片石。。②导渗沟的的间距可视渗渗漏的严重程程度，以能保保持坝坡干燥燥为准，一般般为3～10m。③严格控制制滤料质量，，不得含有泥泥土或杂质，，不同粒径的的滤料要严格格分层填筑，，其细部构造造和滤料分层层填筑的步骤骤如图1-51所示。④为避避免造成坝坡坡崩塌，不应应采用平行坝坝轴线的纵向向或类似纵向向（如口型、、T型等）导渗沟沟。⑤为使坝坝坡保持整齐齐美观，免受受冲刷，导渗渗沟可做成暗暗沟。2）导渗砂槽法。对对局部浸润线逸出出点较高和坝坡渗渗漏较严重，而坝坝坡又较缓，且具具有褥垫式滤水设设施的坝段，可用用导渗砂槽处理。。它具有较好的导导渗性能，对降低低坝体浸润线效果果亦比较明显。3）导渗培厚法。当当坝体散浸严重，，出现大面积渗漏漏，渗水又在排水水设施以上出逸，，坝身单薄，坝坡坡较陡，且要求在在处理坝面渗水的的同时增加下游坝坝坡稳定性时，可可采用导渗培厚法法。导渗培厚即在在下游坝坡贴一层层砂壳，再培厚坝坝身断面。这样，，一可导渗排水，，二可增加坝坡稳稳定。不过，需要要注意新老排水设设施的连接，确保保排水设备有效和和畅通，达到导渗渗培厚的目的。土石坝渗漏的处理理1三、坝基渗漏的原原因及处理方法（一）坝基渗漏的的原因坝基渗漏是通过坝坝基透水层从坝脚脚或坝脚以外覆盖盖层薄弱的部位逸逸出的现象。坝基基渗漏的根本原因因是坝址处的工程程地质条件不良，，而直接的原因还还是存在于设计、、施工和管理三个个方面。1）设计方面。对坝坝址的地质勘探工工作做得不够，没没有详细弄清坝基基情况，未能针对对性地采取有效的的防渗措施，或防防渗设施尺寸不够够。薄弱部位未做做补强处理，给坝坝基渗漏留下隐患患。2）施工方面。①对对地基处理质量差差，如岩基上部的的冲积层或强风化化层及破碎带未按按设计要求彻底清理理，垂直防渗设施施未按要求做到新新鲜基岩上。②施施工管理不善，在在库内任意挖坑取取土，天然铺盖被被破坏。③各种防防渗设施未按设计计要求严格施工，，质量差。土石坝渗漏的处理理3）管理方面。①运运用不当，库水位位消落，坝前滩地地部分粘土铺盖裸裸露暴晒开裂，或或在铺盖上挖坑取取土打桩等引起渗渗漏。②对导渗沟沟、减压井养护维维修不善，出现问问题未及时处理，，而发生渗透破坏坏。③在坝后任意意取土、修建鱼池池等也可能引起坝坝基渗漏。显然，合理的设计计，严格的施工及及正确的运用管理理是防止坝基渗漏漏的重要因素。土石坝渗漏的处理理三、坝基渗漏的原原因及处理方法（二）坝基渗漏的的处理措施坝基渗漏处理的原原则，仍可归纳为为上堵下排。即在在上游采取水平防防渗（如粘土铺盖盖）和垂直防渗（（如截水槽、防渗渗墙等）两种措施施，阻止或减少渗渗流通过坝基。在在下游用导渗措施施（如排水沟、减减压井等）把已经经进入坝基的渗流流安全排走，不致致引起渗透破坏。。下面分别介绍坝基基渗漏常用的防渗渗、导渗措施。1．粘土截水槽粘土截水槽，是在在透水地基中沿坝坝轴线方向开挖一一条槽形断面的沟沟槽，槽内填以粘粘土夯实而成，是坝基防防渗的可靠措施之之一。尤其对于均均质坝或斜墙坝，，当不透水层埋置较浅（（10～15m以内）、坝身质量量较好时，应优先先考虑这一方案。。不过当不透水层层埋置较深，而施施工时又不便放空空水库时，切忌采采用，因施工排水水困难，投资增大大，不经济。对于于均质坝和粘土斜斜墙坝，应注意使使坝身或斜墙与截截水槽的可靠连接接。土石坝渗漏的处理理2．混凝土防渗墙如果覆盖层较厚，，地基透水层较深深，修建粘土截水水槽困难大，则可可考虑采用混凝土土防渗墙。其优点点是不必放空水库库，施工速度快，，节省材料，防渗渗效果好。混凝土防渗墙即在在透水地基中用冲冲击钻造孔，钻孔孔连续套接，孔内内浇注混凝土，形形成的封闭防渗的的墙体。其上部应应插入坝内防渗体体，下部和两侧应应嵌入基岩。3．灌浆帷幕所谓灌浆帷幕是在在透水地基中每隔隔一定距离用钻机机钻孔（达基岩下下2～5m），然后在钻孔中中用一定压力把浆浆液压入坝基透水水层中，使浆液填填充地基土中孔隙隙，使之胶结成不不透水的防渗帷幕幕。当坝基透水层层厚度较大，修筑筑截水槽不经济；；或透水层中有较较大的漂石、孤石石，修建防渗墙较较困难时，可优先先采用灌浆帷幕。。另外当坝基中局局部地方进行防渗渗处理时，利用灌灌浆帷幕亦较灵活活方便。灌注的浆浆液一般有粘土浆浆、水泥浆、水泥泥粘土浆、化学灌灌浆材料等。在砂砂砾石地基中，多多采用水泥粘土浆浆，对于中砂、细细砂和粉砂层，可可酌情采用化学灌灌浆，但其造价较较高。土石坝渗漏的处理理4．高压喷射灌浆高压喷射灌浆是采采用高压射流冲击击破坏被灌地层结结构，使浆液与被被灌地层的土颗粒粒掺混，形成桩柱柱或板墙状的凝结结体。高压定向喷射灌浆浆技术20世纪70年代由日本引进，，最初在我国铁路路、冶金等系统应应用，主要用于提提高地基承载力。。80年代初山东省水利利科学研究所将旋旋喷改为定喷灌浆浆，用于病险水库库坝基防渗处理，，取得了较好效果果，其造价仅相当当混凝土防渗墙的的1/6～1/3之后迅速得到了推推广。该技术适用用于在各种松散地地层（如砂层、淤淤泥、粘性土、壤壤土层和砂砾层））中，具有适用范范围广，设备简单单，施工方便，工工效高，有较好的的耐久性，料源广广，造价低，能在在狭窄场地、不影影响建筑物上部结结构条件下施工等等优点。另外，它它能定向形成板墙墙，是静压帷幕灌灌浆所无法比拟的的。目前，已在我我国20多个省、直辖市、、自治区的100余项工程中应用。。如三峡三期围堰堰防渗面积达20000m2,采用此法仅用45天就完成施工，且且效果很好。土石坝渗漏的处理理5．粘土铺盖粘土铺盖是常用的的一种水平防渗措措施，是利用粘土土在坝上游地基面面分层碾压而成的的防渗层。其作用用是覆盖渗漏部位位，延长渗径，减减小坝基渗透坡降降，保证坝基稳定定。特点是施工简简单，造价低廉，，易于群众性施工工，但需在放空水水库的情况下进行行，同时，要求坝坝区附近有足够合合乎要求的土料。。另外，采用铺盖盖防渗虽可以防止止坝基渗透变形并减少渗漏漏量。但却不能完完全杜绝渗漏。故故粘土铺盖一般在在不严格要求控制制渗流量、地基各各向渗透性比较均均匀、透水地基较较深，且坝体质量量尚好、采用其它它防渗措施不经济济的情况下采用。。土石坝渗漏的处理理6．排渗沟排渗沟是坝基下游游排渗的措施之一一，常设在坝下游游靠近坝趾处，且且平行于坝轴线。。其目的是：一方方面有计划地收集集坝身和坝基的渗渗水，排向下游，，以免下游坡脚积积水；另一方面当当下游有不厚的弱弱透水层时，尚可可利用排水沟排水水减压。对一般均质透水层层沟只需深入坝基基1～1.5m；对双层结构地基基，且表层弱透水水层不太厚时，应应挖穿弱透水层，，沟内按反滤材料料设保护层；当弱弱透水层较厚时，，不宜考虑其导渗渗减压作用。为了方便检查，排排渗沟一般布置成成明沟；但有时为为防止地表水流入入沟内造成淤塞，，亦可做成暗沟，，但工程量较大。。7．减压井减压井是利用造孔孔机具，在坝址下下游坝基内，沿纵纵向每隔一定距