土石坝的坝身防渗

土石坝的坝身防渗

摘要: 土坝破坏来源于水和其它外力的侵袭以及土体强度的不足,其中渗流产生的坝体破坏占有较大比例,且造成的后果极为严重。对土石坝采取防渗

措施有利于土石坝的正常工作，延长使用寿命。

关键词:土坝渗流破坏控制措施渗流问题的重要性防渗加固渗透破坏

土石坝是指由土、石料等当地材料填筑而成的坝，又名当地材料坝。土石坝是

一种历史悠久而又广泛应用的一种坝型。新中国成立以来兴建的8万多座坝中，土石坝占各种坝型总数的95%以上。土石坝的广泛应用和发展源于它的优点：

①就地取材，可以节省大量水泥、钢材和木材；②适应地基变形能力较强，对

地基要求低；③施工技术较简单，工序少，便于组织机械化快速施工；④结构

简单，工作可靠，便于管理、维修、加高和扩建。

土石坝坝体由于散粒结构的颗粒间存在着较大孔隙，坝体挡水后，在上下游水

位差的作用下，库水将经过坝体和坝基向下游渗透。渗流对土石坝有很不利的

影响，侵润线一下的饱和区的土体受到水的浮力的作用，减小了坝体的有效重量。而且饱和状态土料的抗剪强度比干燥状态有所降低，对坝坡稳定不利。当

渗透坡降或渗流流速超过一定界限时，还会引起坝体或坝基土的渗透变形破坏。

在土石坝中，防渗体是主要的防渗结构。防渗体包括土质防渗体和沥青混凝土

防渗体。土质防渗体是应用最广泛的防渗结构，可用作防渗体的土料范围很广。均质坝的整个坝体都是防渗体。分区坝堤防渗体的主要型式为心墙和斜墙。渗

流分析表明，土石坝防渗体中的水头损失并不是按直线分布的。沥青混凝土具

有较好的塑性和柔性，防渗和适应变形的能力较好，产生裂缝时，有一定的自

行愈合功能，而且施工受气候的影响也小，因此适用于土石坝的防渗体材料。

在筑坝地区缺少适宜的防渗土料或采用土料施工有困难时，可考虑选用沥青混

凝土心墙或斜墙。

土石坝的渗流变形主要有：管涌、流土；接触冲刷、接触流土。形成的破

坏有以下几种：①图a是砂层地基的承压水顶穿表层弱透水粉质壤土或淤泥的

薄弱环节,发生局部集中渗流形成流土泉涌现象,并继而向地基的上游发展成连

通的管道。此时如果大管涌道失去拱的作用,堤坝即裂缝下沉而破坏,严重者还

会在临水侧坝脚附近引起水流旋涡。对于土坝上游黏土铺盖的裂缝失效以及河

堤临水侧的河水淘刷等不利因素,均能加速破坏。

②图b是背水坡脚大面积发生小泉涌的砂土沸现象,使坡脚软化或受浮力后失去支承力而引起大滑坡,如图1所示的大圆弧所示。发生砂沸软化的来水可能是砂基的承压水,也可能是沿弱透水覆盖层上面较透水薄层粉土渗过来的表层水。

③图c是由于堤坝本身或地基的渗流,外部出口处的管涌开始逐渐将细粒带走,直至坡面破坏。如图所示,浸润线出渗点处的土粒首先被冲蚀沿坡面向下移

动堆积于坡脚,逐渐在坡面形成局部凹陷和小沟;或者沿坝底接触面、坝体内的

较透水薄层以及沿输水管外壁接触面形成集中渗流通道造成冲蚀破坏。

④图d是由于库水位骤降时孔隙水压力而发生滑坡,多在下降水位的附近坍滑。如果临水侧受河水淘刷,就更容易造成滑坡。

导致土坝工程事故主要有渗透变形、滑坡以及裂缝，其中渗透变形是主要。因此，土石坝的坝身防渗尤为重要。土石坝的防渗措施主要有一下几种：

1、劈裂灌浆防渗技术

该技术是目前应用较为广泛、防渗效果较好的一种技术，其技术机理是在

土坝中采用劈裂灌浆，使用一定的压力，使坝体沿坝轴线小主应力面劈开，灌

注泥浆，并使浆坝互压，最后形成10cm~50cm厚的连续泥墙，同时泥浆使坝体

湿化，产生沉陷，增加坝体的密实度，这项技术不仅起到防渗作用，也加固了

坝体。这种坝体可以就地取材，施工简便，投资省、工效高。推广初期，技术

规范要求为坝高50m以下的均质坝和宽心墙坝，并要求在低水位进行。近年来，逐渐推广到坝高可超过50m，不仅低水位能进行，高水位也能进行；不仅可以

劈裂坝体也可劈裂堤坝地基；不仅在宽心墙坝进行劈裂灌浆，也可在其它心墙

坝进行。同时，也逐步应用到湿陷性黄土宽顶坝、沙坝等。大量研究试验结果

显示，在堤坝地基附加应力场影响范围以内，沿坝轴线也有一个铅直的小主应

力面，只要沿堤坝轴线布孔，进行压力灌浆，就可以实现定向劈裂，并且防渗

效果很好。

2、高压旋喷灌浆技术

20世纪80年代后，我国发展了高压旋喷灌浆技术，其原理是：将30—

50MPa的高压水和0.7—0.8MPa的压缩空气输到喷嘴，喷嘴直径2—3mm ，造成流速为100—200m/s的射流，切割地层形成缝槽，同时由1.0MPa左右的压力把

水泥浆由另一钢管输送到另一喷嘴，以填充缝槽并渗入缝壁砂砾石地层中，凝

结后形成防渗板墙。这种做法的优点是：成孔保证率高，孔斜率容易控制；固

壁泥浆不盲目扩散，从而减少高压喷射的能量消耗，增加了浆液的渗透能力，

提高了成墙效率；施工速度快；机具磨损少，钻具消耗低。

3、水泥帷幕灌浆

水泥帷幕灌浆。水泥帷幕灌浆是用水泥浆液灌入岩体或土层的裂隙、孔隙,形成阻水幕,以减小渗流量或降低扬压力的灌浆。水泥帷幕灌浆通过对坝

基钻孔、裂隙冲洗、压水和灌浆,可以了解基岩的透水性能,提高灌浆效果,进

行有效的防渗处理;机械设备简便,施工技术成熟,容易取得理想的防渗效果。

4、化学灌浆。

化学灌浆是将浆液灌入裂缝内部并在硬化后具有一定的粘结强度,能较好地

恢复混凝土结构的整体性,起到固结、防渗、改善应力传递以提高承载和抗变

形能力的方法。化学灌浆具有较好的可灌性,施工工艺要求严格,施工时要做

好防护工作;浆液的胶凝时间可根据需要进行调整和控制。主要适用于地层裂

隙与孔隙较小或防渗和加固要求较高,颗粒状材料不能灌入,渗漏水流速较大,其它灌浆材料不能封堵的情况。化学灌浆与水泥灌浆相比，其缺点包括：施

工不便，需要较多的辅助材料及设备、需要较专业的施工人员、造价高、耐久

性差、有一定毒性及对环境有一定影响等。这些因素导致现在化学灌浆应用较少。

5工合成材料的应用

土工膜是由高分子聚合物或沥青制成的一种相对不透水薄膜土工膜早期应用与

渠道防渗，20世纪60年代后应用与土石坝，而且防渗效果良好。应用土工膜

做土石坝防渗体时，可以铺设在上游面，并在其上部和下部分别设置上垫层和

下垫层，再在表面加防护层。在土工膜使用过程中尽量使用复合型土工膜，膜

厚不宜小于0.5mm ，做好底部、周边与不透水地基或岸坡的结合，一般采用锚

固槽的连接方式；铺设时应保持松弛状态，以避免高压力造成的破坏。

位于福建省福清县的犁壁桥水库，坝高38.3m，背水坡多年存在大面积湿润现象。后采用复合土工膜在土坝迎水坡作防渗层，铺设面积1845m2，工期30d，

单位造价16元/m2，相当采用黏土斜墙方案投资的1/3。其施工简便，设备少，而且这种防渗材料柔软性好，能适应坝体变形，耐腐蚀，有不怕鼠、獾、白蚁

破坏等优点，处理后的水库经过3年汛期超过正常高水位，未发现湿润现象，

防渗效果显著，达到了预期目的。

1.6倒挂井防渗墙加固技术

采用单井开挖，先挖主井，后挖副井，相互搭接，可构成整体混凝土防渗墙。它

的优点是单井施工、土拱作用、土压力小、施工安全度高，同时单井工程量小，相应

设备易解决。缺点是由于防渗墙接缝多，副井开挖时要凿除主井接触部分混凝土，施

工困难，影响进度，也不易保证质量。现在，在原来倒挂井防渗墙加固技术的基础上

加以改进创新，采用组井开挖，分序施工，相当于冲击钻槽孔式开挖，先挖单号井组，后挖双号井组，形成整体混凝土防渗墙。这种方法比单井施工减少了接缝，保证了施