地震作用下渗流对平原水库土石坝稳定的影响

曲姜娜

摘要：地震往往会对建筑结构的稳定性造成影响，尤其是对水利工程的稳定结构造成危害，特别是对平原水库土石坝稳定造成影响。地震作用下渗流会对平原水库的土石坝造成严重的积液化危害，土石坝边坡也会出现松动或者裂缝状况，严重危及到了整体水利工程的安全性。对此需要采取防渗加固措施，降低地震作用下渗流对平原水库土石坝造成的影响。本文主要分析了地震作用下渗流对平原水库土石坝稳定的影响以及土石坝防渗加固措施，希望对提高土石坝等水利工程质量有所帮助。

    关键词：地震作用；渗流现象；平原水库土石坝；影响

    引言：

土石坝是一种较为悠久的坝型，以土、石料作为主要构筑材料，在水利工程中往往作为挡水坝而存在，可以说土石坝是当前水利工程中应用最为广泛的一种坝型。地震作用下渗流会严重危及到土石坝的稳定性，本文以天津地区的某一水利工程为例，详细分析了地震作用下渗流对土石坝造成的危害，以及大坝挡水结构出现问题后采取的防渗加固措施，增强土石坝整体构造的安全性能，延长土石坝的使用寿命。

    1.水利工程的基本概况

本文中的平原水库土石坝选择的是天津地区的某一水库工程，水库呈现长方形分布，长约5.5km，宽为3.5km，集水面积约为15.08km2，总库容为5.25*107m3，正常蓄水高度为5.8m，库底平均高程为1.5m，该水库是一座常见的中型平原水库，是引滦工程的重要组成部分。

2.地震作用下渗流对平原水库土石坝的影响分析

2.1 平原水库土石坝与混凝土大坝存在着不同的特点。虽然土石坝的高度一般较小，但由于在地基中普遍存在可液化土层，在地震作用下土层的液化有可能危及大坝的安全。同时由于可液化土层的渗透性较大，在分析中应该考虑渗流的影响。

2.2 发生地震时，并不是可能的液化土层一定发生整体或大范围的液化。在本文中的土石坝受地震影响，土层液化仅仅发生在较小的范围内，发生液化的区域和范围与土层分布状况有明显的关系。由于平原水库土石坝往往需要设置防渗墙等防渗措施，液化区域的合理确定对大坝设计影响重大。同时，由于液化区域仅仅出现在局部，在地震作用下产生失稳破坏时，发生大坝与坝基整体滑动的可能性不大，但是有可能出现局部小范围破坏[1]。

2.3在地震作用下，土体中的渗流场会发生变化。但在模型试验显示渗流场的变化不大。相比于不考虑渗流的情况，考虑渗流对液化区域范围的影响不大。但是，考虑渗流会使迎水坡的安全系数提高，背水坡的安全系数下降，安全系数的变化值可以达到0．2--0．3。

2.4由于坝基在地震作用下发生液化的区域不大，在考虑和不考虑渗流的情况下，水平位移及其的变化也不大。但计算结果显示，仍有部分区域水平位移有发生变化的趋势。

3.地震作用下平原水库土石坝渗流破坏分类

3.1坝基渗漏。坝基渗漏通常是由于坝基处理不当或未作防渗处理，施工时防渗土料未达到设计要求，土料未压实，清基不彻底含有软弱夹层，基础不均匀沉降，施工时就近取土破坏了原覆盖层的天然防渗作用，库内粘土铺盖未设反滤层。渗流通过坝基的透水层，从坝脚或坝脚外的薄弱处出逸，使坝后形成沼泽，流出浑水或翻砂，严重的可产生变形。

3.2 坝体渗漏。由于施工质量差，碾压不密实，坝体内含有软弱夹层，斜墙或心墙防渗体裂缝，下游排水堵塞，缺乏滤层保护，坝体浸润线实测值高于设计值，以及运用管理时库内水位放空太快等原因，易产生渗流的集中通道，发生渗透破。渗水逸出点或逸出面在下游坝坡和坝脚[2]。

3.3 浸润线从坝坡逸出。浸润线的实测值高于设计值，就会降低坝坡的稳定性，增加产生渗透破坏的可能性，渗流从下游坝坡出逸，致使坝坡湿润或沼泽化。在渗流长期作用和自然条件(温度、降雨等)的影响下，坝坡土的抗剪强度及粘聚力将减小，易在坝坡引起局部渗透破坏，增加了坝坡滑塌的可能性。

3.4下游坝面出现集中渗漏。坝体和坝基填料的抗剪强度指标选用不当，地基内含有软弱夹层，坝体在施工中分层填筑时，土层较厚压实不够形成水平集中渗漏带，由于施工时采用分段填筑方法，施工速度不一致，致使相临两段的接合部位出现了少压或漏压的松土带。

4.平原水库土石坝的防渗加固措施

4.1 防渗排渗相结合。其原理是在上游不使或少使来水渗入坝体或坝基，并使渗入坝体或坝基的水在下游通畅排出，但不带走坝体或坝基的土料和不改变坝体或坝的变形和强度，即上游防渗、下游排水减压和导渗。对于土石坝的渗流加固，一般坝体在上、中游设置斜墙或心墙防渗体，在下游除靠坝壳排水外，另处设置坝内排水，防止渗水从坡面逸出，并降低浸润线。对于透水坝基的垂直，一般在上游设置水平防渗铺盖，在上中游设置切断透水坝基的垂直防渗设施。具体加固方法分述如下。

（1）防渗加固法。具体措施可在上游河床设铺盖或护面的水平防渗，如粘土铺盖、混凝土护坦等；在中上游切断强透水地基的垂直防渗，如土质截水槽、混凝土防渗墙、粘土防渗墙、板桩式防渗墙、防渗板墙、泥浆槽防渗墙、灌浆帷幕的组合等。有时在具体工程条件的限制下，也可考虑向下游延伸渗径长度或压坡增厚。混凝土防渗墙具有工程量少，施工简便，节省投资，防渗效果显著等优点，在我国水利水电工程建设中，尤其是在病险土石坝的防渗加固方面应用最广。

（2）排渗加固法。在下游侧设置排渗设施排除从上游进来的水，进一步降低渗流出口处的渗流压力。排渗设施有沿下游河床面铺设或伸进闸坝基底的水平排渗滤层、帖坡排水层、棱体排水层、褥垫排水层及其组合、坝体内竖向排水层、排水沟、减压井等的结合。尤其对于削减三向绕渗和危害，以排渗效果为最好。土石坝防渗加固措施总的来说也就是上游堵下游排和中间截的原则。

4.2反滤层保护。反滤层作用是滤士、排水，以增加抵抗渗流出口处土体的渗透破坏和不同土层间接触冲刷的能力。反滤层是防止土体渗透破坏的最有效的措施。反滤层一般是由2～3层不同粒径的砂石料组成。层次与渗流方向正交，粒径顺水流方向由细到粗排列，相邻土体之间粒径较小的土体颗粒不能通过粒径较大的颗粒的缝隙。材料分层粒径级配具有严格的要求。反滤层的材料应该是耐久的、抗风化的砂石料，并具有足够大渗透系数[3]。

(3)控制措施与地质条件相结合。渗流控制的目的是减少渗漏，以使土石坝最大限度的利用其兴利库容，发挥其在国民经济中的作用；以及防止渗流对建筑物的渗透破坏，保证建筑物的安全运行。渗流控制方案的选择，依赖于工程地质和水文地质条件，根据不同地质条件采用相对应的控制措施。单层透水地基当深度小于10～15m时，宜采用粘上截水墙等垂直防渗；当深度大干10～l5in时，当漏水量不重要可采用上游粘土铺盖等水平防渗。较深的强透水砂砾石地基，可在坝基进行灌浆防渗或筑垂直防渗墙。

5.结束语

渗流问题是上石坝安全的关键。渗流控制是土石坝建设的重中之重。在对土石坝进行防渗加固前，应结合库区的水文地质资料和大坝安全监控结果结合起来，进行综合分析，确定技术上可靠、经济上合理又能满足施工要求。通过比较分析，采用一种或几种方法的综合加固方案。

参考文献：

[1] 周清勇,刘智,洪文浩,熊磊.地震作用下渗流对对土石坝渗流与稳定的影响分析[J].水利水电快报.2020.41(05):28-32+37.

[2] 倪沙沙.降雨入渗对土石坝渗流场及坝坡稳定性的影响[J].水电能源科学.2019.34(02):49-52+40.

[3] 宋国涛.渗流作用对土石坝边坡稳定的影响分析[J].黑龙江水利科技.2019.43(02):27-28.