中小型土石坝渗流破坏加固研究

来源:岩土工程师    发布时间:2013-04-22    岩土工程师辅导视频    评论

      1 前言
  土石坝是最普遍采用的一种坝型。不论是在全世界,还是在中国,与其他坝型相比较,土石坝都占绝对的优势,与世界土石坝占大坝总数的82.9%,在中国土石坝数量占到大坝总数的93%,且大多是在建国后的第一个五年计划(1953~1957年)和第二个五年计划〔1958~1962年〕大跃进时期以及十年“文革”期间修建,这些工程都是在“三边”(边勘测、边设计、边施工)工作方式下进行并完成的。特别是小型水库更是存在“四不清”(来水域、流域面积、库容、基础的地质情况均未调查清楚)就动工修建。不少的工程虽然完成,但工程质量很差,“后遗症”很多,留下了隐患,经过了近40年的运行,造成了大批的病险水库。
根据1981年的统计资料,我国由渗流而引起的破坏事故率约占31.7%。至1981年全国有2391座水库失事,其中大型11座,其余为中小型,由于中小型水库缺少水文地质资料,漫坝冲垮者最多,占51.5%,其次就是渗漏导致垮坝,占29.1%,说明由于渗漏而造成的溃坝问题是相当严重的。
      2 渗流理论
  水工建筑物的渗流控制主要包括控制理论和控制技术两方面,控制理论是渗流理论在工程实践中的发展和运用,是向实践反馈的结果,渗流理论包括渗流的基本原理、渗流场的分析方法、土体渗透稳定性三大部分,是渗流控制理论的基础。渗流控制技术是渗流基础理论的实施措施,如灌浆技术[1],反滤坝技术[2]等。土石坝是挡水建筑物,它和渗流并存,从一定的意义来说,土石坝的发展史就是渗流控制理论的发展历史。
1856年,达西( Darcy)解决了土的基本渗透理论,构建了近代土石坝理论的雏形,导致了土石坝设计理论的飞跃,1886年,P.Forchciness发现土中渗流规律符合拉普拉斯方程、达西定律的方程式:
代入不可压缩流体在刚性介质中的连续性方程,且当各向渗透系数取为常数时:
当土体各向同性,即时,则上式变为拉普拉斯方程,就是土体稳定渗流的微分方程式。
1925年,太沙基发现:由于土壤孔隙水的消散引起粘土固结的理论,进一步他又提出了有效应力的概念,成为了土力学理论的奠基石,也是现代土石坝渗流控制理论的核心。  
     3 渗流破坏机理
  坝体和坝基的渗流控制是保证土石坝安全的一项重要措施,由于填筑土石坝的土料和坝基的砂砾是散粒体结构,颗粒间存在大量的孔隙,都具有一定的透水性。水库蓄水后,在水压力的作用下,水流必然会沿着坝身土料、坝基土体和坝端两岸地基中的孔隙渗向下游,造成坝身、坝基和绕坝的渗漏。若这种渗流是在设计控制之下,大坝任何部位的土体都不会产生渗透破坏,则为正常渗流,此时渗流量一般较小,水质清澈透明,不含土壤颗粒,对坝体和坝基不致造成渗透破坏;反之对能引起土体渗透破坏,或渗流员过大且集中,水质浑浊,透明度低,使坝体或坝基产生管涌,流土和接触冲刷等渗透破坏,这种影响蓄水兴利的渗流则为异常渗流。
对于已建坝,如何确定异常渗流极其危害性是一个比较复杂的问题,首先要对坝址的工程水文地质有比较充分的了解,坝的设计及施工完善程度也与渗漏有密切的联系,可是由于地质勘探的有限钻孔只能揭示坝址地层的有限情况,局部的弱点,例如节理、裂隙,溶洞、断层及强透水带的情况往往难以弄清,另外,坝的防渗体和排水设施设计的正确程度,以及施工质量难以达到理想的境界,由于施工而引起的渗流薄弱环节更非人们所能预料,而且,土石坝内防渗体开裂也是经常遇到的问题。 
  水库建成蓄水后,大坝及其他建筑物连同山体,构成挡水防渗体系。土石坝的防渗体系发生破坏。产生管涌流土等事故的原因,渗流控制理论分析认为一般有以下几点:
(1) 坝体填土与排水体之间的反滤层设计不正确,层间系数过大,或施工时有错断混层现象,或填土不够密实,过大的渗流使填土向排水体流失,都会造成反滤层破坏失效。许多实例证明,反滤层在整个的防渗体系中是至关重要的一个环节,即使前面的防渗体裂缝或出现渗漏通道,只要反滤层工作正常,排水降压,渗漏破坏就不至于扩大。
(2) 防渗体应该直达基岩或底部连续可靠的粘土层,在开挖截水槽时,不可因施工困难,半途而废,从而留下隐患。
(3) 土石坝两岸岸坡不应成台阶状,应该开抢成较平顺的坡度,为减少开挖可以变坡,但是在上下两坡度转折处,两坡角之差不应大于15~20度,若有平台,则平台处填土高度与平台的两端的填土高度,高差悬殊沉陷量突变,容易产生裂缝,导致渗透破坏。

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