土工布在横山县淤地坝渗透破坏治理中的应用研究 周喜玲

土工布在横山县淤地坝渗透破坏治理中的应用研究周喜玲
摘要：介绍了碾压式均质土坝的优越性，分析了当前碾压式均质土坝在施工中
存在的主要问题，并在此基础上提出了保证碾压式均质土坝施工质量的对策。

关键词：淤地坝；均质土坝；资金；设计；施工组织
1.引言
黄土高原是世界上水土流失面积最广、强度最大的地区之一。

在漫长的陕北
水土流失治理研究和实践过程中，淤地坝建设已经成为一项重要的技术措施。

但
目前在榆林市和延安市的近万座已建成淤地坝中，大多数存在或多或少的安全隐患，带病运行。

问题集中在：缺少排洪泄水设施；缺少骨干工程，防洪标准低；
库容淤满，无滞洪能力；管理不善，影响安全利用等。

此外，横山及靖边地区的
淤地坝经常收到渗透破坏的影响，淤地坝蓄水后，浸润线很高，下游坝坡含水率
很高，部分区域处于饱和状态。

在重力、冻融和水的渗透力作用下，下游坝坡局
部会出现流沙和管涌的现象，严重时危及大坝安全。

当土中水流过土工织物时，
水可以顺畅通过，而土颗粒却被阻挡的现称为反滤。

鉴于反滤作用对土体流失的
保护作用，加之土工织物具有有柔性、强度高、价格低、耐磨、不易腐烂、制造
运输简便等优点，在水工建筑物的库区、大坝、渠道、挡土墙、防洪堤等工程中
得到广泛应用。

2.试验方案与内容
试验包括四部分内容，第一部分为常规土工试验；第二部分是渗流破坏模拟
试验；第三部分是坝体土渗透破坏过程试验；第四部分是研究土工布对土样渗透
破坏的影响试验。

第一部分：以《土工实验规程》为指导，对榆林市横山县土料进行试验。

现
场取样，测定土样的密度、级配、塑性指数、液限指数、渗透系数，压缩模量等
指标。

第一部分试验主要在实验室内进行。

第二部分：在实验室内模拟淤地坝的渗流破坏。

用普通砖砌制比例尺为1:20
的坝体模型，之后施加以稳定的坝前水位，模拟坝后渗透破坏，观测坝体渗透破
坏的全过程。

第三部分：取坝体土样进行渗透破坏试验，通过一套南55型渗透仪改进试验装置，在测定土样的渗透系数的同时，模拟整个土体的渗透破坏过程。

通过记录
整个过程渗流速度及渗流泥沙量的变化过程，用以分析土体内部在水头不断加高
的过程中，渗透破坏发生前、发生中、发生后各个阶段的变化情况。

在土样破坏
之后，取出破坏土样，观察土样受损状态，分析其破坏类型。

第四部分：在土样中加入土工布，在相同条件下首先观测其对土壤渗流速度
及渗流速度的影响，之后观测其对土体发生渗透破坏的临界水力坡降的影响，之
后改变加入土工布的位置，进一步观察各项指标变化。

3.试验结果分析
3.1常规性质指标
试验所用土样土料粒径小于0.005mm的土粒含量为5.80%，液限
WL∈[30.8.00，33.04]，塑限Wp∈[15.55，16.85]，塑性指数IP∈[14.89，16.63]，试验土的最大干密度95%的置信区间为 [1.74，1.81]，最优含水量95%置信区间为[15.17%，15.89%]，压缩系数为4.7×10-5。

由上述可知，该土样属于中粉质壤土，土料粒径分布不均匀，不均匀系数CU=6.12，因此属于不良级配的土样，土壤较
大土粒间的孔隙在渗流的作用下可被较小土粒较容易通过容易造成渗透破坏。

3.2渗流破坏模拟
根据整个试验过程的观测，坝体后坡发生渗透破坏，在发生前期，整个坝体
稳定性较好，从外边看，坝体坡脚部位没有发生明显的位移，并且从坝坡土体表
面也并不能观测到明显的现象，但在坝前水位持续保持一定高度之后，坝体具备
发生渗透破坏的条件，渗透破坏开始发生，并迅速造成后坡发生结构性破坏。

3.3坝体渗透破坏过程模拟实验
渗流速度和泥沙出流量成线性相关关系。

对于陕北淤地坝，发生渗透破坏的
大部分都没有溢洪道和防水洞，因此，造成渗透破坏的原因主要是地基的相对不
透水和缺乏反滤体，即排水不畅。

而增加排水就必须从提高渗流速度出发。

但从
上述试验表明，在渗流速度增加的同时，渗流在通过渗流通道时的冲刷能力也增强，渗流中泥沙含量随之增加，因此，增加坝体渗流速度是解决坝后渗透破坏的
一种有效途径，但在同时，也必须解决坝体细小颗粒流失的问题。

综上所述，并
结合试验时渗透破坏现象，可以判断，土样渗透破坏的类型为管涌破坏。

3.4土工布对渗透破坏的影响
对比加土工布和不加土工布的试验，不加土工布条件下，土颗粒运移距离较长，并且10-15cm层的细颗粒流失最为严重，使得土体结构发生变化，孔隙率增加，最终引起破坏，在加土工布之后，土样各个土层的渗透速率均呈现不同程度
的下降，将不同土层视为不同的单位分析，说明土样中细颗粒并没有发生跨层的
运移，即细颗粒的运移距离缩短，有效的减少了土壤细颗粒的流失。

并且土工布
上下两层土层的渗透系数下降幅度最大，说明土工布能够有效的拦截土体内部的
细颗粒。

4.结论及展望
渗透破坏的发生发展过程，可分为三个阶段：第一阶段，渗透破坏的孕育阶段，该阶段随着水头高度的增加，渗流速度与水头高呈良好的线性关系，此时土
样整体比较稳定，没有发生颗粒移动；第二阶段，渗透破坏的发展阶段，即渗流
速度开始出现降低的阶段，在该阶段渗流中开始出现泥沙颗粒，渗流速度在该阶
段刚开始时出现下降，之后恢复增长，渗流中泥沙含量也随着渗流速度的增加而
增加。

该阶段土壤的颗粒组成开始发生变化，土壤表层的细小颗粒开始出现流失，但试样的整体结构并没有发生破坏；第三阶段，渗透破坏的破坏阶段，随着水头
的继续增加，渗透破坏进一步发展，渗流速度增加，渗流中泥沙含量也不断增加，最终当水头达到破坏坡降时，渗流速度突然迅猛增加，渗透破坏最终形成。

根据总的试验结论，在土工布防治渗透破坏方面，土工布能够有效的提高渗
透破坏的临界坡降、破坏坡降，并且能够有效的缩短土体内部泥沙运移，在一定
程度上能够防止土壤细颗粒流失，但是对土体的排水却起到一定的阻滞作用，最
终的最大渗流速度三者之间没有明显差异，说明仅靠土工布并不能有效解决坝体
排水的问题，也就不能最终长久性的解决坝体渗透破坏的问题。

后续需要在该试验的基础上进行大比例尺的模型试验，并尝试加入排水措施，将排水和土工布的防治结合进行坝后渗透破坏的防治，观察试验效果；另外一个
是土样渗透破坏的过程和土壤剪切破坏过程之间的关系，本试验并没有进行深入
讨论，而如果能够通过试验得出两者之间的相关关系，就能够使得渗透破坏的机
理研究更为简单。

参考文献
[1]李广信，周晓杰.土的渗透破坏及其工程问题.工程勘察[J]. 2004(5):10-13, 52.
[2]李开军. 2011.土工膜与土工布在堤防防渗工程中的应用. 中国科技博览.(20):273.
[3]曹建宇.土坝主要渗透破坏控制措施研究.科技创新导报[J]. 2014. (24):104-106.
作者简介：周喜玲.女.汉（1982—）陕西横山人.助理工程师.现就职于横山县水产
工作站.从事水产养殖相关工作.前期借调横山水土保持工作站，从事淤地坝设计、施工、管理等工作。