水坝渗流的研究

作者：仇为鑫

来源：《科教导刊·电子版》2019年第12期

        摘 要 水坝由于上下游存在水位差，经常会出现渗流现象。渗流不仅会削弱水坝的蓄水能力，严重时还会诱发地基变形，影响水坝的整体稳定性。本文从水坝渗流产生的原因入手，逐步介绍了了渗流的危害，并提出控制措施。

        关键词 水坝 渗流 控制措施

        中图分类号：TV62 文献标识码：A

        0前言

        水坝作为主要的挡水物，当其壅高上游水位后，大坝的上下游会形成较大的水位差，使得储蓄水体在水压力的作用下，通过具有较强透水性的岩土体中，发生渗漏。由此可见，渗流随着水坝的运行会一直存在，如果在设计施工和后期的管理阶段中不对渗流进行专门的技术处理，不但会使得水坝的蓄水量减少，而且坝基渗透压力会减小水坝的有效重力，情况严重的，甚至会引起坝基潜蚀和渗透变形，危机大坝安全。

        1水坝渗流的产生

        水坝土体中存在大量的孔隙，并且大部分的孔隙都是互相连通的。当饱和土體中的两点存在水头压力差时，水体就会在压力差的作用下，从压力较高的一侧通过水体的连通孔隙流向压力较低的一侧。水在压力差作用下通过土体孔隙的现象就是渗流。由此可见，水坝由于周围天然土体存在孔隙，以及坝体材料的孔隙，在上下游水位差下，会不可避免的产生渗流现象。

        在以挡水为目的的土石堤坝中会由于渗流逐渐改变地基的土体构成和改变堤坝中的应力分布，会丧失稳定性;非饱和的坡面会由于水分的迁移而造成土的含水率和土的强度变化，这些都有可能引发破坏事故。

        2水坝渗流的特点

        2.1堤坝渗流类型

        第一，堤身渗流。堤身渗流包括散浸与集中渗漏，就散浸而言，渗流经过堤坝经由背水坡进行渗出，逸出点若是过高超过下游排水设备的顶部，则下游坡面土体会出现阴湿情况，而此种情况便被称之为散浸。就集中渗漏而言，渗水可从坝体下游面，坝基的几个或是几个空穴集中流出，从而出现股水渗漏出的异常渗漏情况，便属于集中渗漏。第二，接触渗漏。渗水经过堤坝体与地基、刚性建筑物、新老结合的接触面经过时，在堤坝后下游所对应的位置进行渗出，同时也可能会穿过堤上建筑物以及坝下埋管出现裂缝，渗水经由裂缝急性流出，沿着接触面急性渗出。第三，坝基渗漏。此种渗漏情况是经由坝基水层，从坝脚或是从坝脚以外覆盖面较为薄弱的位置进行渗出。

        2.2渗透变形产生条件

        2.2.1土体结构因素分析

        （1）粗细颗粒粒径比：能在粗颗粒骨架之间空隙通过的细颗粒，其粒径小于空隙直径。据试验数据表明，当>20时，才易于形成管涌。

        （2）土颗粒级配的不均匀系数：研究表明：CU20的土易产生管涌为主要形式的渗透变形;10

        2.2.2水动力条件

        确定能否产生渗透变形的主要方法是分析渗透水流水力坡降与土层临界水力坡降的关系。所谓土层的临界水力坡降是指渗透水流使土体发生渗透变形极限平衡状态时所具有的水力坡降。其理论大小为

        一般情况下，当渗透水流的实际水力坡降大于土体临界水力坡降时，则会产生渗透变形破坏。

        3水坝渗流的分析

        通常的渗流分析方法由解析法、数值解法、流网法等。

        3.1解析法

        常见方法有流体力学和水力学法。

        （1）流体力学法。假定水坝渗流区内的渗流满足达西定律及渗流连续方程，其中任一点的势函数应满足拉普拉斯方程，即

        （2）水力学法。假定渗透水流为渐变流，过水断面上各点渗透坡降和渗透流速都是相等的。这种方法不能准确求出任一点的渗流要素，但一般已能满足工程设计要求的精度。

        3.2数值解法

        渗流分析的数值计算方法主要有差分法和有限单元法。

        差分法是对拉普拉斯方程用差分法求解，一般用于稳定渗流。将渗流场划分为有限个正方形网格，结合边界条件，以各网格交点处的测压管水头值为未知数，建立一系列差分方程式，然后联立求解各点的测压管水头值。

        有限单元法是以变分原理求泛函极小值的方法求解符合边界条件和初始条件的渗流方程。先将渗流场划分为有限个单元，以各单元结点处的测压管水头值为未知数，把求解泛函极值的问题化为求解线性方程组的问题，利用计算机解方程组即可求得各点水头值，并据以求得其他渗流要素。

        3.3流网法

        该发使用手绘制出流网，然后用流网来求解平面渗流的各个要素，实质上就是渗流基本微分方程的图解法。由于简便迅速，可用于解决边界条件较复杂的渗流问题，且能达到足够的精度，故得到广泛采用。

        4水坝渗流的防治措施

        在实际生产中，常在坝上游面固结灌浆，堵塞漏洞和缝隙，加固补强坝体和提高防渗性能，以进一步提高坝体的承载能力和完整性。坝下游面追踪固结灌浆，在下游坝面有漏水或溶蚀物逸出的地方，造成水平孔和斜孔，埋注浆管进行灌浆，以堵塞漏水通道和坝体空洞、裂缝、加固坝体，增加坝面稳定性和抗冲刷能力。

        5总结

        近年来，水坝在防洪、灌溉等方面发挥着越来越重要的作用。其中，安全问题一直是影响水坝运行的重要因素，有必要对水坝安全性进行分析。由上文可以看出，渗透是比较常见的水坝问题。本文从渗透的原理出发，对渗透的产生、特点、分析方法以及防治措施进行讨论，实际生活中，应综合考虑各方面影响因素，将渗透对水坝的影响降到最低。

        参考文献

        [1] 高建伟.堤坝渗流分析与防渗技术研究[J].建筑工程技术与设计，2018（01）：1002.

        [2] 陈南祥.工程地质与水文地质（第五版）[M].中国水利水电出版社，2015.

        [3] 陈德亮.水工建筑物（第六版）[M].中国水利水电出版社，2008.

        [4] 董其敏，李新林.水坝防渗加固技术探讨[J].河南建材，2011（04）：24-25.