宁阳县蒋集镇水库土坝非稳定性探析

　　宁阳县蒋集镇地处汶河南岸，黄淮分水岭北侧，最大海拔高程361米。全镇区域面积12.7万平方公里，其中山区、丘陵占三分之二，是典型的花岗岩片麻石地区。二十世纪五、六十年代兴建了117座水库塘坝，其中小(一)型水库2座，小(二)型水库15座，塘坝100座，总库容1700余万方，坝体以土坝为主。由于施工机械落后，技术有限，经费不足，造成工程质量较低，因而不少土坝产生渗流、流土、管涌、滑坡等现象。这四种情况最后的结果是导致大坝塌坍、决口，给下游居民、房屋、牲畜、良田造成毁灭性灾害，其经济损失不可估计，给社会政治稳定带来重大影响。因此，为搞好工程除险加固，确保水库畜水后安全渡汛工作任务十分重要，现对水库土坝非稳定性四个阶段作分析研究。

　　一、土坝的渗流

　　土坝是由松散颗粒的土料经过压实填筑而成的挡水建筑物，土坝的渗流是在土坝上下游水位差的作用下，而形成的一种处于土壤颗粒之间的水流运动。

　　渗流通过土坝坝体和坝基，是土坝的一个重要工作特点，也是土坝设计的一个重要内容。通过土坝渗流核算确定坝体浸润线的位置，据此作为坝坡稳定和布置观测设备的依据，并用以校核排水结构型式的合理性，核算通过坝体和坝基的渗流量，估算水库的渗漏损失，坝体和坝基渗流逸出区的渗透坡降，检验土坝是否能发生渗透变形，以便采取控制渗流的措施。

　　产生渗流的条件：1、上下游水位差大。2、坝基和坝体土壤密度小。

　　二、土坝的流土

　　当渗透水流并没有将土中细小颗粒带走，但由于水流对土壤颗粒有渗透压力的作用，使一定范围内所有土的颗粒从坝体或坝基表面同时发生移动即所谓流土。

　　产生流土的条件：由于渗流在土壤颗粒的孔隙中流动，土壤颗粒对渗流作用着一种摩阻力，其方向与渗流方向相反，因而渗流对土壤颗粒亦作用着大小相等、方向相反的渗透压力。在坝体或坝基的渗流中，不同位置渗流的方向不同，因而渗透压力作用的方向也不一样，它对土体稳定的作用也有区别。在坝基靠近上游渗流入口处，渗透压力由上向下，使土粒挤紧，对土体稳定有利，在坝身靠近下游坝坡附近，当渗透压力斜向下游时，对下游坝坡稳定不利，在坝基靠近下游渗流逸出处，渗透压力竖直向上，与土的自重方向正好相反，显然对坝基稳定是不利的。如果渗透压力大于土的浮容重时，渗流将把局部粒团或土体冲起，产生流土现象。

　　三、土坝的管涌

　　在土粒间流动的渗流流速较大时，最小颗粒将首先被带走，使孔隙增大，渗流速度也因而增大，进而使较大颗粒也被带走，逐渐形成一种穿过坝体或坝基的管状渗流通路，发生所谓管涌现象。管涌的继续发展，将可能导致坝体或坝基的塌陷或坍滑。

　　产生管涌的条件：管涌仅在一定颗粒级配的非粘性土中发生，并与渗流水力坡降的大小有关。当渗流的水力坡降达到一定数值时，是否发生管涌，主要取决于非粘性土的颗粒级配情况，即主要与土的不均匀系数η=、有关[η=30～100为级配良好的土料，d10、d60—粒径系按颗粒分布曲线(按重量计)决定，如小于某种粒径的土重为10%或60%，则某种粒径以d10或d60表示]。如果渗流水力坡降在曲线以上时，将可能产生管涌。由于水力坡降是临界破坏的数值，又由于产生管涌的水力坡降不仅与η有关，还与粒径组成中有无中间颗粒以及小于1毫米的细粒含量的多少等很多因素有关，故应按照坝的级别和粘性土的类别，选取2～3的安全系数。对于η>10～20而又缺乏中间粒径的砂砾石或砂卵石以及细颗粒含量不超过25～30%时，发生管涌的坡降很小。

　　四、土坝的滑波

　　土坝发生稳定性破坏时，将丧失其正常工作能力甚至造成严重的灾害。土坝稳定性破坏的主要表现形式是坝坡滑坍或坝坡连同坝基一同滑坍，校核验算已成土坝边坡的稳定性是工程管理的一大重点。研究和了解土坝滑坡的形式，是分析土坝稳定的必要条件，而作用在土坝上的力的核算是土坝稳定验算的主要依据。

　　产生滑坡的条件：1、渗透压力。当强烈降雨以后，地面水积聚于坝顶且沿坡面流动，破坏了毛管水表面，使毛管水区不再是负压区，同时，毛管水在重力作用下逐渐向坡面流动，形成类似水位降落时上游坡的渗流，对坝坡产生渗透压力，促使坝坡滑坍。粘性土填筑的土坝每在雨后发生坍滑或裂缝，就是这个原因造成的。2、孔隙压力。如果坝体和坝基是可压缩的土，当坝上骤加荷重时，只能增加滑动力，也就是说孔隙压力将大大降低坝的稳定性。土坝孔隙压力的大小主要取决于土料的性质、填土起始含水量、填土的压实干容重和填筑速度等因素。渗透系数是孔隙压力产生与消散的重要因素之一。因而，应力求选择粘土含量较低的粘性土料或无粘性土料作为筑坝材料。

　　土坝在稳定渗流期将产生渗透压力，其方向与流线的方向一致，水库水位降落期，除渗透压力外还将产生附加的孔隙压力。

　　五、渗透破坏形式的判别(η：土不均允系数)

　　1、粘性土和η<10的非粘性土以及η>10，但细粒含量大于30%的非粘性土，其渗透破坏的主要形式为流土。

　　2、正常级配的非粘性土，η=10～20，且细粒含量小于30%时，可能发生管涌，也可能发生流土，当η>20时其渗透破坏的主要形式是管涌。

　　3、缺乏中间粒径的间断级配的砂砾料，且细粒含量小于30%时，其渗透破坏的主要形式是管涌。

　　六、防止渗透破坏的措施

　　根据以上土坝存在的问题及破坏原因应采取以下补救措施。

　　1、在按照设计要求包括高度、宽度、坡度复土夯实达到标准的前提下，土坝内坡铺石片或加固坝坡施工过程中，在0.5—1米土坡下平铺塑料膜。个别坝段也可灌混凝土或水泥浆、沥青灌浆、化学灌浆、粘土浆、水泥粘土浆，内坡脚处挖至基岩搞防渗墙等几种防渗形式，外坡用混凝土空心块与土配合加之种草搞好护理。汛期坝内水位较高时，在特殊水面位置用麦秸粘土或混凝土下沉后靠水的负压将其堵塞，尤其是产生管涌时效果明显。如1991年汛期，宁庄洪山水库畜满水库后正在泄洪，主坝身中部突然发生了管涌，采用本办法将其堵塞，达到了万物一失。

　　2、设置垂直防渗体，包括截水墙、混凝土防渗墙及水泥粘土灌浆帷幕等。其防渗效果显著，通过的渗流量很小。

　　3、设置排水和减压设备，以降低地下水水头，避免发生管涌和流土。坝基中如有一层不透水层，往往在坝趾处的不透水层下面仍存在很大的渗透压力，将有可能使该土层发生流土，即使坝基面没有较不透水的土层，但由于冲积土的水平渗透系数远比垂直渗透系数大，坝趾处仍然存在很大的渗透压力。为了防止下游坝趾附近坝基土层发生流土，除在坝基上堆置作为盖重的土料外，还在坝趾处沿坝轴方向每间隔20米左右钻孔作减压井，井内放置石棉水泥管或透水混凝土管，管周填反滤料，用以减轻坝趾处的渗透压力。

　　4、土坝外坡设置反滤层，这是防止土体发生管涌的有效方法，土坝除在排水设备与坝体或坝基接触面之间设置反滤层外，坝体各组成部分的接触面处有渗流通过的地方都设置反滤层。反滤层由3层不同粒径的非粘性土(砂、砾、卵石或碎石)构成，层次应大体上与渗流正交其粒径随渗流方向而增大或芦柴反滤层。

　　5、开沟导渗，如大面积严重渗透，有形成脱坡之势时，用开挖纵横沟或丫形沟，内埋砂石料或芦柴进行导渗。如1991年汛期，苗河二号水库北面主坝身沿坝轴方向120余米大面积渗透严重，危急下游前彭、圩子两个村3000余人的生命安全及数千亩粮田。采取本办法避免了脱坡，确保了土坝安全渡汛。

　　探求水库土坝溃塌的原因，结合各土坝的类型、现状，有利于采取不同的除险加固措施，对提高汛期工程管理水平具有重要意义。