浅析水利工程中水的运动规律及渗流相关工程问题

浅析水利工程中水的运动规律及渗流相关工程问题摘要：中国是一个水利工程相对较多的国家，而水利工程对改造与分配人们生活与生产实际所需要的水资源起到非常重要的作用。我国的水利工程在使用一段时间内均会不同程度的发生渗透破坏，从而导致水利工程的正常运转受到影响，同时使下游人民群众的生命和财产安全受到威胁。对工程进行渗流稳定分析，采取必要的除险加固措施，并达到相关规范、规定的要求，保障水利工程正常运行，发挥其兴利效益具有相当大的研究价值。关键词：水利工程；渗透破坏；防渗加固Abstract:Chinaisacountrywhichhasrelativelymorehydraulicengineering.Andhydraulicengineeringplayaveryimportantroleintransformationanddistributionofthewaterresourcepeopleneededforproductionandlife.Hydraulicengineeringinourcountrywillalwaysoccurseepagedestroyinvaryingdegreeswhenusedforaperiodoftime.Thus,thiscausethenormaloperationofhydraulicengineeringtobeaffectedandthedownstreampeople’slivesandpropertysafeisalsothreatenedatthesametime.TodoAnalysisoftheseepagestabilityofEngineering,takenecessaryreinforcementmeasures,meettherequirementsoftherelevantspecifications,guaranteethenormaloperationandtheprofitofhydraulicengineeringhasgreatresearchvalue.Keywords:hydraulicengineering;seepagedestroy;Anti-seepagereinforcement1.引言随着人类社会的不断进步，基础设施建设逐渐引起人们的重视。而水利工程堤坝建设扮演着重要的地位，毕竟水利工程施工对于人们的居住安全性及其便利性有着重要的意义。由于坝基和坝体本身的缺陷或穿坝建筑物的影响，渗透破坏是坝堤工程常见的一种破坏形式。世界范围内，约25%土石坝的溃决是由于渗透破坏导致失事，而我国已溃决土石坝由于渗透破坏造成的失事事故约占30%[1]。为了提升现阶段水利工程堤坝防渗效益，进行堤坝防渗分析是必要的。要解决现相关坝堤渗透破坏的问题，需要对堤坝工程出现险种类及进行分析，并且通过相应的防渗加固工艺来进行处理，从而保准整个水利堤坝结构的正常运转，使用寿命得到有效的延长。2.土中水的渗流本质常见的大坝形式为土石坝和重力坝，筑坝材料多为粘性土，粘性土的渗透性就是自由水在其中流动过程及其释出的规律性。粘性土孔隙水渗流运动是由“水”“土”相互作用方式决定的。二者的相互作用方式有结合水、毛细水、重力水(无连结)。重力水分布在土颗粒最外面，几乎为自由液态水，存在较小水头差时，水就通过土体的重力孔隙流动而逐渐发生渗流，其渗流规律近似符合达西定律。毛细水很特殊，由于它受土颗粒吸引力较小而对温度的变化很敏感。毛细水和重力水在渗流运动中起着十分重要的作用，土中孔隙水的渗流运移规律是结合水、毛细水和重力水这三种类型的孔隙水运动的矢量和，他们所占的比例和所起的作用控制着土的孔隙水的渗流运移规律[2]。这同样可理解为粘性土孔隙水渗流规律的实质是重水、毛细水、弱结合水在不同水力梯度作用下转化规律，也是3种孔隙水转化为自由水参与运动的规律。在渗透的不同阶段，3种孔隙水参与运动的比例不同、所起作用不同，而它们的不同比重的自由水释出规律控制着孔隙水渗流运动规律。事实上，目前关于孔隙水运动特征的研究，大多集中在孔隙水的渗透规律研究和在不同应力下土体的变形机制研究，其研究方法大多数为以达西定律为基础结合渗透实验对孔隙比、固结应力及渗透系数等相关关系的研究，也有一些对粘性土体力学性质的研究。绝大多数学者研究的是包括非结合水与结合水在内的孔隙水渗流，但他们只用结合水观点去研究、分析问题。虽然这些研究得出一些共性理论，且把握住了影响孔隙水运动规律的主要影响因素，但显然就前面内容所说，绝大多数粘性土孔隙水运动规律无法用结合水渗流理论进行统一解释。故寻找和建立更好理论解释粘性土孔隙水渗透规律已成为解决相关实际工程问题的基础性和关键性的问题。3渗透破坏的成因和影响导致渗漏出现的原因是非常简单的，在坝体或者堤防迎水面和背水面存在着水位差的时候，就非常容易导致坝基或者是坝身出现渗漏的情况，甚至也会有绕坝渗漏的情况出现。在汛期的时候，坝身内的浸润线会随着水位的不断升高出现不断上升的情况，在这种情况下，坝身的土体会出现渗透比不断上升的情况，这样是非常容易出现土体产生渗透破坏的。另外在大坝进行设计和选址的时候，必须考虑诸多经济和社会因素，如要尽量减少居民用地的占用，减少不必要的资源浪费等，这就造成建设大坝的土质条件可能不够优良，从而导致渗透破坏。3.1坝体渗透破坏原因分析由于在大坝建立过程中考虑经济、国土资源保护等因素，所以一般建设水库堤坝所用的材都是就地取材，而这样就不能保证所用土料里面不含有大量的粉土、砂土、粉细砂等渗透性强的土壤，这本身就加大了坝堤渗漏破坏的危险。具体产生渗透破坏的原因有[3]：1)用于建设大坝的土料质量较差，可能含有较大的透水性或者是含有杂质；2)在进行大坝混凝土施工时，没有对混凝土进行有效的压实；3)大坝本身没有足够的厚度导致渗径过短；4)大坝下游的排水管因为某种原因发生了堵塞现象，或者是根本没有对排水体进行安装；5)大坝下游原本被封堵的涵洞发生漏水；6)白蚁现象严重。3.2坝基渗透破坏原因分析我国许多水利工程都建立在广大的平原地区，这些地区的土壤是经过河流的长期冲刷而形成的，多为粘土或者是沙土，这样的土壤特性就决定了堤坝建成以后地基本身会有很大的渗水性。并且大多数在平原建立的堤坝由于所建地势比较平坦，要建的围坝就比较长，这样会对工程的完全加固造成很大困难，加固不良就极易造成渗透破坏的问题发生。具体产生渗透破坏原因有[3]:1)在大坝施工结束之后，没有及时对坝基进行有效的清理，导致在大坝投入使用之后短时间内便发生了坝基渗漏的现象。2)在对坝基的设计中，没有考虑到截水槽的作用，没有对其进行合理的设计，也可能是所安装的泄水槽不符合相关规定的要求，导致在坝基运营过程中产生被击穿的现象因而发生渗漏。3.3绕坝渗透和其它因素分析产生绕坝渗漏的主要原因有以下3点:1)在两岸的边坡上没有设置符合要求的截水槽。2)没有对绕坝混凝土施工中进行严格的压实行为。3)当土坝两岸坡山体节理裂隙发育未妥善处理，蓄水后，水流绕过土坝两端渗向下游，远离坝端逐渐减弱。实际上造成坝渗透破坏的因素是非常多的，比如附近居民的破坏，气候，地表植被的破坏，蓄水量等特殊影响因素。坝体与刚性建筑物接触处渗透破坏产生位置在坝端溢洪道侧墙接触部位及坝下涵管与土体间。在山区水利工程的建设中，通常会采用坝端溢洪道或坝下涵管形式，但是因为坝肩溢洪道侧墙与坝体连接处未做齿墙，或侧墙背面填土不实，渗径短，渗透坡降大。两种不同介质面上发生接触冲刷，形成管涌通道，给大坝安全埋下隐患。4.渗透破坏类型及判别4.1渗透破坏分类渗透破坏又称渗透变形，是堤坝工程中最常见的险情之一。渗透破坏根据土体的颗粒组成、颗粒级配，填筑密实度的不均匀以及其它成因类型主要可分为流土或流砂、管涌、接触冲刷、接触流土等四种形式。在实际的情况发生中如果有的坝堤身壤土为粉细砂、砂壤土或存在孔洞、裂缝等，就会受到渗透破坏而产生散浸、脱坡、漏洞、跌窝等情况。如果坝基的透水情较强，水在压力作用下很多易从砂层、砂壤土层快速渗透，对坝基产生破坏。总的说来，渗透破坏分坝身和坝基两大类共四种，然而表现特征则相当多。坝身渗透破坏的表现形式包括三种类型：堤坡冲刷、漏洞和集中渗流造成的接触冲刷。而坝基的破坏形式则表现为泡泉、沙沸、土层隆起、浮动、膨胀、断裂等[4]。1）流土或者流砂在土体中当水的渗流方向与重力方向相反时，渗透作用会使土体重力减小，在上升的水流作用下，表层土体在局部范围内出现土体表面隆起、顶穿，或者土颗粒群同时因浮动而流失的现象称为流土。在粉细砂及粉土等粘性土体中，当水力梯度达到一定值后，渗流逸出点附近表面出现隆起变形，并可能出现砂沸现象，从而使地基产生破坏。2）管涌在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，并最后流失，随着时间的推移土中的细颗粒不断被带走，孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，进而较粗的颗粒也相继被水流带走，最终使土体在内部产生贯通的渗流管道，造成土体塌陷。3）接触冲刷土体中的水沿着渗透系数不同的土层接触面，或建筑物与地基的接触面流动时，细颗粒沿接触面被带走的现象。接触冲刷主要发生在闸坝地下轮廓线与地基土的接触面，双层地层的接触面以及坝内埋管时管道与周围介质的接触面或钢性与柔性介质界面等部位。4）接触流土当渗流沿着渗透系数不同的土层接触面，或建筑物与地基的接触面流动时，细颗粒沿接触面被带走的现象。这种类型的渗透破坏主要发生于涵闸、堤坝的地下轮廓线与上部地基土的接触带，双层及多层岩土体的地层接触面以及堤坝内有埋管时管道与周围介质土体的接触面以及钢性与柔性介质接触面等部位。4.2地基土渗透破坏类型判别由于土的特性对渗透变形形式有很大关系，故可以根据土的特性为标准在水利工程中用来判别渗透变形的两种破坏形式，对于粘性土，具体标准可归纳为以下几点[5]：①粘性土和不均匀系数Cu10的匀粒砂或Cu10但填料含量大于35%（正常级配）的砂砾石土，其主要破坏形式为流土；②正常级配（Cu10，Cc=1~3）的砂砾石土，当其不均匀系数Cu10填料含量小于30%时，其破坏形式为管涌；③缺乏中间粒径（不连续或中断级配）的砂砾石土，当填料含量小于20%时，其破坏形式为管涌，而填料含量大于30%时则为流土。而非粘性土的渗透变形类型判别，引用前苏联学者B.C.伊斯托明娜1957年试验研究成果认为：当土的Cu≤10时，将产生流土破坏；当Cu≥20时，将产生管涌破坏；当10＜Cu＜20时，既可产生流土破坏，也可产生管涌破坏[6]。国内许多学者证实了上诉判别方法在国内的适用性，而齐俊修[6]等在统计分析了48个工程472个样中所有不均匀系数Cu≤10的无黏性土渗透变形试验结果时发现，其中的碎砾石土的渗透变形类型为管涌；砂土的渗透变形类型为流土。进一步从Cu≤5的无黏性土的颗粒级配曲线特征、渗透变形机制分析论证了Cu≤5的碎砾石土渗透变形类型应为管涌。另外，根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287—99）附录M“土的渗透变形判别”，水库坝基渗透变形类型按土的细粒含量采用下列公式判别：Ⅰ.流土：%100)1(41npcⅡ.管涌：%100)1(41npc式中:Pc为土的细粒颗粒含量，以质量百分率计；n为土的孔隙率。天然的不均匀土层，可以把它视为由粗、细两种直接组成的，直径大一些的作为坝土层的骨架，直径比较小的颗粒就作为填料填充到坝当中。由此可见，直径比较小的土粒的含量是影响坝土体渗透性和渗透变形的最主要因素。一些学者认为，土粒的直径在2mm以下的可以被称之为细小土粒，如果细小的土粒在土石坝中占总含量的35%以上，就很容易产生流土。但是，如果细土颗粒少于25%又容易产生管涌。所以，把细土颗粒的含量控制在25%～35%之间是预防和控制土石坝渗透变形的关键所在[7]。5.渗透稳定分析计算5.1计算断面的确定计算断面的选取是根据工程地质勘探和土工试验结果，结合地形条件、坝堤险工弱段、坝体结构、坝体高度和填筑材料等，选取典型断面进行稳定计算，所选断面应为代表性较好