傅增斐 ，郜會彩

（1.浙江省巖石力學與地質(zhì)災害重點實驗室，浙江 紹興 312000；2.紹興文理學院土木工程學院，浙江 紹興 312000；3.紹興市水利水電勘測設計院新昌分院，浙江 新昌 312500）

1 問題的提出

土石壩是最古老，也是最普遍采用的一種壩型，具有造價低、結(jié)構(gòu)簡單、對自然條件適應性強、抗震性能好、工作可靠、壽命長、施工管理簡便等優(yōu)點，因而被廣泛采用；在我國已建大壩中90%以上為土石壩。

目前土石壩的滲流破壞問題比較嚴重，大量水庫處于帶病運行狀態(tài)，土石壩的滲漏會影響水庫的安全運行和防洪發(fā)電等各項效益的發(fā)揮，因此對土石壩的滲流進行研究十分必要。土石壩滲流問題的解決主要通過防滲加固措施，包括水平加固和垂直加固。水平加固 — 水平防滲鋪蓋的主要優(yōu)點是施工工藝比較簡單、工程造價低廉，比較適合小型水庫低土石壩，但是其防滲效果一般，通常和其他防滲措施一起使用來提高防滲效果；垂直加固的防滲和截流效果遠遠優(yōu)于水平防滲，應用更為廣泛，但是由于垂直防滲截流工程投資較高，在一些小型工程中不適用。在選擇加固措施時，需要通過對防滲效果、投資預算、施工條件等各方面進行考慮，從而得出一個最合理的方案；并且可以通過數(shù)值模擬來驗證方案的防滲效果從而評價方案是否合理。

對于土石壩的滲流破壞和防滲加固，國內(nèi)外學者已做了深入和細致的研究。本文總結(jié)分析國內(nèi)外土石壩滲流分析與防滲加固方面的研究現(xiàn)狀，并針對低土石壩滲流問題研究成果較少的現(xiàn)狀提出需進一步研究的方向。

2 土石壩滲流問題研究

2.1 筑壩材料滲透性能研究

筑壩材料的性質(zhì)是影響土石壩壩體滲流的重要因素，對筑壩材料各種性質(zhì)的研究是土石壩滲流分析的重要部分，國內(nèi)外學者一般通過實驗的方式研究土石壩筑壩材料的各項性質(zhì)。郭愛國等[1]認為當粗粒料較多時，粗粒形成骨架，細顆粒充填其中，礫石料的滲透破壞性質(zhì)取決于粗顆粒的特征。當細顆粒達到一定含量時，將與粗顆粒共同參與骨架作用，粗細顆粒共同作用影響礫石料的滲透破壞性質(zhì)；當粗粒含量較少時，粗顆粒懸浮在細顆粒中，土的滲透穩(wěn)定性類似于細粒料，由實驗得出結(jié)論：處于骨架顆?？紫吨械募毩媳容^容易在水流的作用下產(chǎn)生沖蝕，從而改變土料的滲透特性，但不會使骨架顆粒產(chǎn)生實質(zhì)性變位影響壩料的整體穩(wěn)定。蔣中明等[2]通過垂直滲透變形儀完成應力對含黏粗粒土滲透變形和臨界水力坡度的影響研究，實驗表明黏粒含量多少對粗顆粒土滲透變形特性和滲透破壞類型有明顯影響：應力越大，試樣產(chǎn)生滲透變形的臨界水力坡度越大，荷載較小時，荷載大小與臨界水力坡度大小成線性關(guān)系。并提出利用滲透系數(shù)與水力梯度關(guān)系曲線的突變關(guān)系來判斷臨界水力梯度的方法。彭家弈等[3]通過實驗分析顆粒形狀對粗粒土孔隙特質(zhì)和滲透性的影響，結(jié)論是相同級配和孔隙率的情況下，滲透系數(shù)隨孔隙比表面積的減小而增大，隨顆粒圓形度的增大而增大，球形顆粒試樣的滲透性最強。朱崇輝等人[4]通過試驗發(fā)現(xiàn)：同類土體的滲透變形與土體的密度有關(guān)，密度越小土體越疏松，在滲透水流的作用下容易發(fā)生滲透破壞；滲透變形還與土體的粘聚力有關(guān)，粘聚力越大，土體間作用力越強，土體越穩(wěn)定，越不容易發(fā)生滲透破壞。由于在之前的計算公式中沒有考慮土體的級配和不均勻系數(shù)，所以朱崇輝等[5]認為用一個統(tǒng)一的與級配無關(guān)的模型公式表示級配復雜多樣的粗粒土的滲透破壞坡降，從理論上本身就存在缺陷，故應當考慮粗粒土的級配對滲透變形的影響。他建議將級配特征相近的粗粒土進行分類研究，建立分段統(tǒng)一的滲透破壞坡降模型表達式，將級配特征參數(shù)引入滲透破壞模型公式中。李振等人[6]介紹黑河土石壩筑壩材料在各種組合情況下的滲透穩(wěn)定性及其特點，并分析各種滲透勢下的滲透變形機理，得到如下結(jié)論：試樣細粒含量越高，抗?jié)B強度越高；試樣滲透性和反濾沙幾乎無關(guān)；反濾沙能保護心墻土料不流失、沖刷，但反濾沙在滲流情況下結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。Didiek 等人[7]對實際滲漏的大壩填筑土體進行水力劈裂試驗，并分析水力劈裂試驗得到的三軸試驗粘聚力與破壞應力之間的關(guān)系；試驗結(jié)果表明，具有較大內(nèi)聚力的土也具有較好的抗水力劈裂能力。柏樹田等人[8]根據(jù)室內(nèi)及現(xiàn)場試驗資料，探討軟巖料的物理力學性質(zhì)：軟巖抗壓強度低，壓實層上部顆粒破碎較劇烈，粗顆粒間的孔隙被細料所充填，故垂直滲透系數(shù)較小，壓實層下部顆粒破碎較少，每層下部的滲透系數(shù)大于上部，適當加水碾壓可以達到較高的密度。膨脹土、分散性黏土等一般不宜作為防滲體的填筑材料，但是在特定情況下也會在實際工程中使用。對于這類材料的特性研究可以為實際工程中使用這些材料提供指導?？伦鹁碵9]等人對膨脹土堤壩填筑條件進行討論，指出高含水率低重度這一填筑條件存在的問題，認為應該在最佳含水率條件下壓實到最大干重度。鄧親云等人[10]結(jié)合國內(nèi)外典型工程經(jīng)驗，對分散土的判別及分散土心墻堆石壩的設計和施工進行綜合分析，并提出一些建議。詹森[11]結(jié)合美國的實際工程，分析崩解性土對大壩滲流安全的影響和工程解決措施。

2.2 土石壩滲流問題分析

不良地基是導致土石壩壩基滲漏的一大原因，對于巖溶等不良地基的處理也在相關(guān)規(guī)范中有詳細的規(guī)定，對于不良地基及其處理方案的研究往往結(jié)合實際工程進行。周波等人[12]對西南某水電站深厚軟弱覆蓋層地基地質(zhì)問題進行研究，提出地基進行振沖碎石樁處理并采用懸掛式防滲的處理方案，并進行生產(chǎn)性試驗；通過對比處理前后的砂層力學參數(shù)的變化來驗證處理方法的合理性，并通過3 a 觀測數(shù)據(jù)驗證該方案的合理性。盧耀如[13]總結(jié)巖溶地區(qū)水庫建設遇到的主要地質(zhì)問題和目前各地工程上解決問題的主要措施，并且就巖溶地區(qū)有關(guān)水利水電建設中幾個問題，如水庫滲漏的利弊問題進行探討。

土石壩滲漏有各種情況，所以在研究土石壩滲漏問題時對于各個工程不同的情況要具體分析。分析滲流破壞成因是進行除險加固方案設計的重要環(huán)節(jié)，只有正確地分析發(fā)生滲流破壞的原因，才能正確地選擇除險加固的方案。國內(nèi)外學者對實際工程中的滲流破壞原因通過各種方法進行研究。周紅、楊恒華[14]根據(jù)目前梧州防洪堤地基有限的勘探試驗資料，對該地基滲透變形特征以及液化可能性作了一些初步分析；通過Seed 剪應力對比簡化法與GBJ 11 —89《建筑抗震設計規(guī)范》2 種方法對該問題進行計算，計算結(jié)果比較吻合。何勇軍[15]通過現(xiàn)場調(diào)查、滲流觀測資料分析和有限元軟件分析等方法對蔡家溝水庫滲漏情況進行分析。牛運光[16]結(jié)合我國幾座土石壩滲流破壞的實例，分析各個水庫滲透破壞的成因并介紹各種防滲措施的適用條件及技術(shù)要點。辛建芳、普布等人[17]通過大壩監(jiān)測系統(tǒng)、電法探測、連通試驗等手段，分析江雄水庫新建大壩壩基、繞壩、溢洪道、輸水洞等滲漏主因，查找到主要滲流通道，為大壩堵漏處理方案設計提供決策依據(jù)。

土石壩的滲漏主要有壩體滲漏、繞壩滲流、壩基滲漏；研究土石壩滲漏成因的主要方法有現(xiàn)場調(diào)查、資料分析、數(shù)值模擬等?？梢允褂靡陨戏椒ǎ瑢ν潦瘔沃饕獫B漏問題通過排除法進行分析。土石壩產(chǎn)生滲漏的主要原因有以下幾點。①勘測設計問題：由于當時的技術(shù)和經(jīng)濟條件的限制，大部分中低土石壩進行設計建設之前沒有進行水文地質(zhì)勘測，導致在設計時對當?shù)氐乃牡刭|(zhì)情況不了解，沒有考慮完善，設計中的防滲措施不合理，在水庫建設完成后大壩出現(xiàn)滲漏問題。②施工質(zhì)量問題：由于土石壩特別是低土石壩施工工藝簡單，工程投資較少，加上施工單位的水平良莠不齊，在施工期間如果沒有嚴格按照規(guī)范要求進行施工，非常容易產(chǎn)生質(zhì)量問題，從而導致土石壩發(fā)生滲漏。其中施工中最容易導致土石壩產(chǎn)生滲漏的原因之一是選用的筑壩土料質(zhì)量不符合規(guī)范要求，如含有雜質(zhì)、透水性大、施工時碾壓不密實、壓實度無法滿足要求等。③輸水設施問題：輸水涵管產(chǎn)生破損是導致土石壩發(fā)生滲漏的另一重要原因。輸水涵管出現(xiàn)破損的主要原因有長年使用后出現(xiàn)破裂、涵洞砌筑質(zhì)量不好、座漿不實、地基不均勻沉降等。④白蟻侵蝕問題：白蟻是造成土石壩滲漏的一大原因，白蟻會造成土壩內(nèi)部形成直徑從數(shù)十厘米到數(shù)米的主巢和數(shù)量眾多的附巢，在壩體內(nèi)形成滲漏網(wǎng)絡從而引發(fā)散浸和管涌等問題。⑤管理不完善問題：由于小型水庫的管理不受重視，管理經(jīng)費較少，水庫多位于偏遠地區(qū)交通不便導致管理更加困難，并且由于大部分小型水庫的管理員屬于當?shù)卣衅?，專業(yè)知識不足，也缺乏進修提高能力的機會；以上原因?qū)е铝诵⌒退畮斓倪\行管理中容易出現(xiàn)問題，運行過程中管理不規(guī)范也會導致土石壩發(fā)生滲漏問題。

3 土石壩滲流數(shù)值模擬

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬成為研究的一個重要方向。通過數(shù)值模擬不僅可以方便快捷計算壩體內(nèi)的滲流場，而且可以直觀地分析結(jié)果。數(shù)值模擬技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展逐漸成熟，1931 年，Richardson 提出有限差分法，1943 年Courant 提出有限單元法的基本思想，1960 年Clough 最先采用“有限單元法”這個名稱，以與有限差分法相區(qū)別。1966 年Clough 和Woodward 首先用有限單元法來分析土壩滲流。20 世紀70 年代初Chapuis 等從穩(wěn)定滲流分析發(fā)展非穩(wěn)定滲流分析。

隨著數(shù)值模擬技術(shù)的成熟，許多學者利用數(shù)值模擬技術(shù)建立模型分析滲流的機理。Neuman[18]建立一個飽和 —非飽和滲流模型，可用于分析軸對稱情況下的三維滲流。Xu 等人[19]提出非飽和土有限元分析模型。Chapuis 等人[20]采用二維有限元程序數(shù)值分析不同高度（5，10，20，50 m）的堤防滲流并給出解決方法。Qiu 等人[21]把顆粒大小及分布函數(shù)的某些參數(shù)和滲透率聯(lián)系起來，建立一個飽和 — 非飽和滲流模型用以分析不同設計方案下土壩的滲流。Xu 等人[22]用飽和 — 非飽和滲流模型分析了一座土石壩斷面的滲透穩(wěn)定性。Kacimov 等人[23]利用計算機程序，根據(jù)2 種介質(zhì)的導水率、傾角和給定點的水頭值，重建巖心與殼體內(nèi)的流網(wǎng)和等壓線。

通過數(shù)值模擬建立計算模型比物模實驗更加方便研究滲透破壞的機理，許多學者利用數(shù)值模擬研究滲流的機理并且對數(shù)值模擬的模型進行改進，改進后的模型也為之后的研究提供便利。朱偉等人[24]結(jié)合某工程問題，應用有限元飽和 — 非飽和滲流解析，對地基滲透破壞發(fā)生機制及其影響因素做了分析。研究表明，地基滲透破壞與地基條件、地下水條件、洪水條件、降雨條件有關(guān)；封閉式防滲帷幕需要良好的隔水層；洪水的波形和持續(xù)時間對防滲加固非常重要。倪小東[25]使用顆粒流程序研究管涌，考慮滲流作用下顆粒和流體之間的耦合作用，運用離散單元法研究土體管涌機理與孔隙率、滲流長度、截面大小等影響管涌破壞的主要因素。Bathe 等人[26]提出自由表面滲流問題有限元分析的一種有效求解方法，采用材料的非線性滲透率描述，避免有限元網(wǎng)格的迭代。在一些問題的分析中獲得的結(jié)果和經(jīng)驗證明該求解方法的可行性。Kacimov 等人[27]分析某壩壩體及相鄰壩體滲流問題，利用五邊形在純平面上的保角映射和物理平面上的三角形映射，分析低滲透壩體的流動。此外，結(jié)合實際工程通過數(shù)值模擬建立模型，對實際工程的設計和建設以及防滲措施的選擇等都提供很重要的依據(jù)。以下學者結(jié)合實際工程，建立不同的數(shù)值計算模型，用以模擬計算不同情況下壩體的滲流。Chen 等人[28]針對土石壩，建立一個能全面反映滲流通道發(fā)育、壩體坍塌和溢流破壞全過程的數(shù)值模型，模型考慮壩體材料的粒度分布、壓實密度和強度滲流方向、壩坡、水流速度對沖刷量的影響，并且通過對2 種典型滲流破壞情況下的潰口和泄流發(fā)展過程進行數(shù)值模擬來驗證該模型的可靠性和正確性。Mohsen 等人[29]結(jié)合蒙特卡羅方法和有限差分方法，開發(fā)一種全新的堤壩蓄水后性能預測軟件，為評價該方法的有效性，以伊朗東南部的Chahnimeh 大壩為例，對該方法進行詳細研究。同時利用Kolmogorov Sturier-MiNOV 檢驗對該壩的行為進行預測，并與現(xiàn)場監(jiān)測進行比較。結(jié)果表明，該方法具有較強的準確性，可用于大壩對滲流、管涌、沉降等各種因素的響應監(jiān)測。陳守開等人[30]針對中小型土石壩的特點及滲流安全問題，采用改進節(jié)點虛流量法，編制程序得到三維有限元滲流場計算模型。Nourani V[31]提出一種分布式多庫管模擬裝置（MRTA），用于室內(nèi)模擬堤壩滲流。通過建立一個數(shù)值模擬的模型，可以方便快捷地研究滲流問題，并且直觀地得到結(jié)論，無論是在科研方面還是在工程應用方面都能發(fā)揮巨大的作用。

隨著數(shù)值模擬計算模型的完善，可以研究大壩在不同情況下滲流場的變化。以下學者研究了土石壩在蓄水、暴雨、泥沙淤積等情況下的滲流問題。Huang[32]對水庫蓄水后土壩穩(wěn)定性分析問題進行數(shù)值模擬。王志華等人[33]使用Geo-Studio 軟件分析土石壩壩前泥沙淤積對大壩滲流的影響，提出利用泥沙淤積進行防滲鋪蓋的條件。Zhang等人[34]基于多孔介質(zhì)和非飽和瞬態(tài)滲流理論，采用有限元方法模擬大暴雨條件下土石壩的非穩(wěn)定滲流場，分析降雨強度和降雨歷時對土石壩滲流場的影響。劉曉慶等人[35]考慮強透水地基上土石壩下游排滲系統(tǒng)對滲流場的影響。陳群等人[36]考慮水力滯后對土石壩初次蓄水滲流場的影響。這些研究結(jié)果對工程的借鑒作用很大，可以了解在不同工況下大壩滲流的特點，從而避免工程中出現(xiàn)事故。

4 土石壩防滲加固措施研究

防滲措施一直是土石壩除險加固工程中的重要內(nèi)容，防滲措施主要分為水平防滲與垂直防滲。對于防滲措施的研究一般通過室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬的方法進行，主要研究各種防滲措施的防滲效果和影響防滲效果的因素。張家發(fā)等人[37]基于滲透變形的擴展規(guī)律進行試驗設計，通過室內(nèi)砂槽試驗與數(shù)值模擬分別對滲透變形的擴展過程進行研究并對比2 種方法得到的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)懸掛式防滲墻對滲流控制效果不明顯但隨著防滲墻深度增加對滲透變形的擴展有明顯效果。耿計計等人[38]通過實驗和有限元方法分析表明，壩肩混凝土防滲墻的延伸長度與繞壩滲流特性的改善呈正相關(guān)性，但其長度超過一定值時，改善的效果將明顯減小。毛海濤等人[39]采用保角變化的方法，推出無限深透水地基上土石壩垂直防滲墻深度和滲流量的關(guān)系，研究表明，在防滲墻位置一定的前提下，防滲墻深度越深，滲流量越小，呈現(xiàn)雙曲線分布，達到一定深度時，滲流量變化越來越小，最后趨于一個恒定值。李少明[40]采用滲流有限元軟件，結(jié)合工程實例，分析混凝土防滲墻的質(zhì)量缺陷對大壩滲流控制的影響，研究表明，對于滲流控制防滲墻裂縫位置比裂縫寬度的影響大，防滲墻懸掛比防滲墻滲透系數(shù)的影響大。高江林等人[41]采用ABAQUS 有限元分析軟件，建立滲流與應力耦合模型分析防滲墻與壩體的相互作用，研究表明防滲墻體的應力主要由水平荷載提供，簡單的忽略滲流和應力的耦合作用會使計算結(jié)果偏小，結(jié)果不安全。岑威鈞等人[42]研究土工膜出現(xiàn)一處破損的情況下對壩體滲流場的影響及控制措施。

5 結(jié) 語

綜上所述，針對土石壩的滲流問題和防滲措施，已經(jīng)有大量的室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬研究成果，但是其中大部分是關(guān)于中高土石壩的滲流問題和防滲加固的研究，針對低土石壩的滲流問題和防滲加固的研究很少。而據(jù)統(tǒng)計資料，目前我國大部分的土石壩為低土石壩，并且由于當時建造時的資金和技術(shù)問題，低土石壩多數(shù)是“三邊”工程，工程質(zhì)量不高，超過1/3 的低土石壩存在滲流問題。因此開展對低土石壩滲流破壞問題和防滲加固措施的研究十分必要，例如低土石壩滲漏機理的分析和針對低土石壩滲流的數(shù)值模擬研究。