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摘要：堤坝工程因土的渗透变形而产生的结构破坏时常发生，本文通过介绍土体渗透变形的类型和形成机理，结合国内外因渗透破坏产生的事故，分析了土体渗透变形的控制措施，对工程设计及运行管理有一定的借鉴意义。
关键词：土体渗透变形；危害；防治措施
Abstract: the frequent failure due to dam engineering soil seepage deformation and structure, this paper introduces the seepage deformation of soil types and formation mechanism, combined with the domestic and external seepage failure generated by accident, analyzes the control measures of seepage deformation of soil, have certain reference significance to the engineering design and operation management.
Keywords: penetration of soil deformation; harm; prevention measures
中图分类号：TU751+.5文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
1、土体渗透变形发生机理及类型
1.1土体渗透变形发生机理
土体在水力压差的作用下发生渗流现象，渗透力迫使土颗粒发生位移从而出现渗透变形。通常，可以从两个方面分析渗透变形发生的原因，土本身结构构成是渗透变形的内部因素，它决定了渗透变形以何种形式发生；水力条件是重要的外部因素，渗透变形能否发生主要取决于它。水进入颗粒间的孔隙后土体内产生了静水压力，它直接减轻了土的有效重量，降低了自身抵御破坏的能力，当饱和的土体内有水力压差时，孔隙水开始流动，同时带动土颗粒沿渗流方向移动，形成渗透变形。
1.2土體渗透变形的类型
单一的土体或地基中，渗透变形主要有管涌和流土两种类型。管涌一般发生在无黏性土中，是指渗流形成后，由于无黏性土颗粒间不存在粘聚力，随着渗流速度的不断增大，当达到该土体的临界水利坡降时，细颗粒开始在粗颗粒的孔隙中沿着渗流的方向移动，并在渗流逸出处被带出，导致土体形成孔道产生集中涌水。流土在无黏性土中表现为土体内的颗粒群体同时发生移动，在黏性土中表现为土体的某一范围内发生隆起、断裂或浮动的现象。一般发生在渗流的出口处，因此处的渗流坡降最大，当竖向渗透力大于土体的有效重力时，水力坡降超过流土的临界状态，产生流土破坏，在黏性土的渗透破坏形式中最常见。
另外，接触冲刷和接触流失发生在多层结构的土层中，相对于流土和管涌是两种不常见的渗透变形。
2、土体渗透变形破坏工程实例分析
国内外土工建筑中，因渗透变形造成的事故枚不胜举，下面笔者对4起典型的堤坝工程遭受土体渗透变形破坏的实例失事原因进行分析。
（1）沟后水库大坝溃坝事故
沟后水库位于青海省共和县，水库大坝为钢筋混凝土面板砾石坝，1997年8月27日出现溃坝事故。造成事故的主要原因为上游面板和防浪墙趾板缝漏水，坝体内部未设置关键性的排水层，而筑坝材料使用的砂砾石土料的不均匀系数大，在上游发生漏水后，很快在坝体内部形成渗流通道，面板与坝体料间产生接触冲刷，坝体内部出现管涌，长时间的渗流使坝体土料达到饱和，浸润线抬高，坝顶局部静力失稳滑坡形成溃口。从此次事故中可以认识到，土石坝上游面阻水效果必须保证，它能从源头上有效降低水力坡降，是大坝安全的第一道防线，同时防渗和排水相结合也是防止出现渗透破坏的重要措施。
（2）八一水库大坝溃决事故
八一水库大坝始建于1952年，安全运行50多年后因防洪标准不够，于2003年对坝体加高，同时新建一座泄洪涵洞。2004年1月，因新建泄洪洞处坡陡、面窄，土体填筑速度较快，完工后立即蓄水，该处出现不均匀沉降，坝顶产生横向裂缝，破坏了坝体的整体防渗能力，水进入坝体内部并在下游坡面较高点处逸出，而在出口处未采取任何处理措施，随着渗透破坏程度不断加剧，最终大坝溃决。因此，新填筑的土料在沉降、固结尚未完成之前，快速升高水位极易产生渗透破坏，另外在下游铺设反滤设施可有效阻止管涌的发生。
（3）石桥水电站溃坝事故
下闸蓄水不久的石桥水电站，于1989年6月13日在混凝土重力坝坝顶溢流过程中垮坝。分析原因可归结为，地下轮廓线布置过于单一，大规模的人工回填砂砾石作为坝基，且没有设置垂直防渗措施，产生了严重渗透破坏。坝体和上游铺盖之间产生不均匀沉降，铺盖止水失效，库水直接深入坝基，渗透坡降骤然增大，加速渗透变形的形成。另外，因施工原因，下游排水不畅，导致巨大的渗透压力作用在消力池护坦上，泄流冲刷下很容易遭到损坏。事故给我们的教训是，以人工回填土作为坝基应尽量避免，实在避免不了，应非常重视防渗、排水设施的效果。
（4）美国Teton大坝溃坝事故
美国Teton大坝在1976年6月5日初次蓄水过程中大坝失事，原因为粘土心墙直接填筑在有裂隙发育的基岩面上，水由心墙下开挖的截水槽上游张开的节理渗入，渗透比降增大，形成管涌破坏，随着渗流作用的不断加剧，截水槽内填土冲成大孔洞导致大坝溃决[9]。基础存在发育的节理对防渗十分不利，在土工建筑物施工时，应避免与之直接接触，先浇筑一层混凝土保护座能有效阻断渗流通道。
（5）美国尼山大坝渗透破坏
美国尼山大坝的心墙土料允许渗透坡降小，而反滤层料体的粒径过粗，导致坝体土料中粒径小于2mm的颗粒从土骨架中流失，发生管涌型渗透破坏。
3土体渗透变形防治措施
土的构成特征决定了它在遇水后发生不同程度和形式的渗透变形，达到一定程度将会对建筑物的安全性造成危害。上述工程实例中，渗透破坏的形式和原因是多种多样的，这些已然成为事实的事故虽然不能挽回，但从中可以带给工程设计者和建造者启发，对类似工程采取相应的工程防治措施，避免事故发生。从渗流形成的机制来看，防治渗透变形要“防”、“排”结合，阻止水流渗入土体是从源头上防治的第一道防线，通畅的排水是降低渗透坡降的手段。
（1）设置垂直和水平防渗措施
垂直防渗指把抗渗性能强的材料通过工程手段置于土体中，改变渗流的路径，增加渗径长度，以达到降低渗透坡降或阻截渗流的目的，通常有混凝土防渗墙、土工膜防渗、高压喷射灌浆等方法，其中上文所述美国尼山大坝发现渗透破坏后所采取的工程措施为在心墙中打设混凝土防渗墙。水平防渗主要是人工铺设防渗铺盖，阻断水流向地基内渗水的通道，石桥大坝若不是因不均匀沉降导致铺盖止水失效，渗流下作用大坝不至于发生事故，板桥和石漫滩两座大坝虽发生漫顶失事，但在水平铺盖发挥有效作用下，没有发生渗透破坏。
（2）设置反滤层
根据填筑料的性质和可能出现的最大水力坡降，在有可能出现管涌的区域渗流出口处应铺设反滤层。反滤层是颗粒级配不同的各层土体，按照顺水流方向粒径逐渐减小的规律铺设，达到“排水阻沙”的效果，防治管涌型渗透破坏发生。如八一大坝下游渗流出口处未设置防渗措施，导致大量土体外带，加拿大波太基山大坝发生管涌后，下游坝趾处增设了反滤排水的加固措施，杜绝了事态进一步发展。
（3）采取排水减压措施
为降低渗透压力，提高堤坝的允许渗透坡降，常在下游设置排水减压设施，一般包括水平排水层、减压井和排渗沟等。
4 结语
土体的渗透变形形式由土的构成和外界的水力条件所决定，而因工程设计或施工、管理不当造成的渗透破坏事故时有发生。了解土渗透变形的形成机理有助于提高对土本身特性的理解，国内外因渗透变形引发的事故留给后人更多启发、思考，应根据工程自身特点采取相应防止土体渗透破坏的工程措施，以保证施工质量和安全。
参考文献
[1] 汝乃华，牛运光．大坝事故与安全·土石坝[M]．北京：中国水利水电出版社，2001
[2] 方崇惠，段亚辉．溃坝事件统计分析及其警示[J]．人民长江，2010,41（11）：96-101
[3] 张利民，徐耀，贾金生．国外溃坝数据库[J]．中国防汛抗旱，2007年增刊：2-7,12
[4] 刘杰．土的渗透变形特性和控制[J]．人民黄河，1984（5）：24-28,65
[5] 钱玉林，严斌，胡唐伯．渗透变形的防治及其工程应用[J]．土工基础，2001,15（1）：57-60
[6] 郭诚谦．沟后水库溃坝原因分析[J]．水力发电，1998（11）：40-45
[7] 刘杰．八一水库溃坝原因分析[J]．中国水利水电科学研究院学报，2004,2（3）：161-166
[8] 陆文海．石桥水电站溃坝原因分析[J]．成都科技大学学报，1991（4）：45-51
[9] 顾淦臣．国内外土石坝重大事故剖析—对若干土石坝重大事故的再认识[J]．水利水电科技进展，1997,17（1）：13-20
[10] 刘杰．尼山和波太基山两座高土石坝渗透破坏原因分析结果的异议[J]．水电站设计，2009，25（2）：1-6
关键词：土体渗透变形；危害；防治措施
Abstract: the frequent failure due to dam engineering soil seepage deformation and structure, this paper introduces the seepage deformation of soil types and formation mechanism, combined with the domestic and external seepage failure generated by accident, analyzes the control measures of seepage deformation of soil, have certain reference significance to the engineering design and operation management.
Keywords: penetration of soil deformation; harm; prevention measures
中图分类号：TU751+.5文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
1、土体渗透变形发生机理及类型
1.1土体渗透变形发生机理
土体在水力压差的作用下发生渗流现象，渗透力迫使土颗粒发生位移从而出现渗透变形。通常，可以从两个方面分析渗透变形发生的原因，土本身结构构成是渗透变形的内部因素，它决定了渗透变形以何种形式发生；水力条件是重要的外部因素，渗透变形能否发生主要取决于它。水进入颗粒间的孔隙后土体内产生了静水压力，它直接减轻了土的有效重量，降低了自身抵御破坏的能力，当饱和的土体内有水力压差时，孔隙水开始流动，同时带动土颗粒沿渗流方向移动，形成渗透变形。
1.2土體渗透变形的类型
单一的土体或地基中，渗透变形主要有管涌和流土两种类型。管涌一般发生在无黏性土中，是指渗流形成后，由于无黏性土颗粒间不存在粘聚力，随着渗流速度的不断增大，当达到该土体的临界水利坡降时，细颗粒开始在粗颗粒的孔隙中沿着渗流的方向移动，并在渗流逸出处被带出，导致土体形成孔道产生集中涌水。流土在无黏性土中表现为土体内的颗粒群体同时发生移动，在黏性土中表现为土体的某一范围内发生隆起、断裂或浮动的现象。一般发生在渗流的出口处，因此处的渗流坡降最大，当竖向渗透力大于土体的有效重力时，水力坡降超过流土的临界状态，产生流土破坏，在黏性土的渗透破坏形式中最常见。
另外，接触冲刷和接触流失发生在多层结构的土层中，相对于流土和管涌是两种不常见的渗透变形。
2、土体渗透变形破坏工程实例分析
国内外土工建筑中，因渗透变形造成的事故枚不胜举，下面笔者对4起典型的堤坝工程遭受土体渗透变形破坏的实例失事原因进行分析。
（1）沟后水库大坝溃坝事故
沟后水库位于青海省共和县，水库大坝为钢筋混凝土面板砾石坝，1997年8月27日出现溃坝事故。造成事故的主要原因为上游面板和防浪墙趾板缝漏水，坝体内部未设置关键性的排水层，而筑坝材料使用的砂砾石土料的不均匀系数大，在上游发生漏水后，很快在坝体内部形成渗流通道，面板与坝体料间产生接触冲刷，坝体内部出现管涌，长时间的渗流使坝体土料达到饱和，浸润线抬高，坝顶局部静力失稳滑坡形成溃口。从此次事故中可以认识到，土石坝上游面阻水效果必须保证，它能从源头上有效降低水力坡降，是大坝安全的第一道防线，同时防渗和排水相结合也是防止出现渗透破坏的重要措施。
（2）八一水库大坝溃决事故
八一水库大坝始建于1952年，安全运行50多年后因防洪标准不够，于2003年对坝体加高，同时新建一座泄洪涵洞。2004年1月，因新建泄洪洞处坡陡、面窄，土体填筑速度较快，完工后立即蓄水，该处出现不均匀沉降，坝顶产生横向裂缝，破坏了坝体的整体防渗能力，水进入坝体内部并在下游坡面较高点处逸出，而在出口处未采取任何处理措施，随着渗透破坏程度不断加剧，最终大坝溃决。因此，新填筑的土料在沉降、固结尚未完成之前，快速升高水位极易产生渗透破坏，另外在下游铺设反滤设施可有效阻止管涌的发生。
（3）石桥水电站溃坝事故
下闸蓄水不久的石桥水电站，于1989年6月13日在混凝土重力坝坝顶溢流过程中垮坝。分析原因可归结为，地下轮廓线布置过于单一，大规模的人工回填砂砾石作为坝基，且没有设置垂直防渗措施，产生了严重渗透破坏。坝体和上游铺盖之间产生不均匀沉降，铺盖止水失效，库水直接深入坝基，渗透坡降骤然增大，加速渗透变形的形成。另外，因施工原因，下游排水不畅，导致巨大的渗透压力作用在消力池护坦上，泄流冲刷下很容易遭到损坏。事故给我们的教训是，以人工回填土作为坝基应尽量避免，实在避免不了，应非常重视防渗、排水设施的效果。
（4）美国Teton大坝溃坝事故
美国Teton大坝在1976年6月5日初次蓄水过程中大坝失事，原因为粘土心墙直接填筑在有裂隙发育的基岩面上，水由心墙下开挖的截水槽上游张开的节理渗入，渗透比降增大，形成管涌破坏，随着渗流作用的不断加剧，截水槽内填土冲成大孔洞导致大坝溃决[9]。基础存在发育的节理对防渗十分不利，在土工建筑物施工时，应避免与之直接接触，先浇筑一层混凝土保护座能有效阻断渗流通道。
（5）美国尼山大坝渗透破坏
美国尼山大坝的心墙土料允许渗透坡降小，而反滤层料体的粒径过粗，导致坝体土料中粒径小于2mm的颗粒从土骨架中流失，发生管涌型渗透破坏。
3土体渗透变形防治措施
土的构成特征决定了它在遇水后发生不同程度和形式的渗透变形，达到一定程度将会对建筑物的安全性造成危害。上述工程实例中，渗透破坏的形式和原因是多种多样的，这些已然成为事实的事故虽然不能挽回，但从中可以带给工程设计者和建造者启发，对类似工程采取相应的工程防治措施，避免事故发生。从渗流形成的机制来看，防治渗透变形要“防”、“排”结合，阻止水流渗入土体是从源头上防治的第一道防线，通畅的排水是降低渗透坡降的手段。
（1）设置垂直和水平防渗措施
垂直防渗指把抗渗性能强的材料通过工程手段置于土体中，改变渗流的路径，增加渗径长度，以达到降低渗透坡降或阻截渗流的目的，通常有混凝土防渗墙、土工膜防渗、高压喷射灌浆等方法，其中上文所述美国尼山大坝发现渗透破坏后所采取的工程措施为在心墙中打设混凝土防渗墙。水平防渗主要是人工铺设防渗铺盖，阻断水流向地基内渗水的通道，石桥大坝若不是因不均匀沉降导致铺盖止水失效，渗流下作用大坝不至于发生事故，板桥和石漫滩两座大坝虽发生漫顶失事，但在水平铺盖发挥有效作用下，没有发生渗透破坏。
（2）设置反滤层
根据填筑料的性质和可能出现的最大水力坡降，在有可能出现管涌的区域渗流出口处应铺设反滤层。反滤层是颗粒级配不同的各层土体，按照顺水流方向粒径逐渐减小的规律铺设，达到“排水阻沙”的效果，防治管涌型渗透破坏发生。如八一大坝下游渗流出口处未设置防渗措施，导致大量土体外带，加拿大波太基山大坝发生管涌后，下游坝趾处增设了反滤排水的加固措施，杜绝了事态进一步发展。
（3）采取排水减压措施
为降低渗透压力，提高堤坝的允许渗透坡降，常在下游设置排水减压设施，一般包括水平排水层、减压井和排渗沟等。
4 结语
土体的渗透变形形式由土的构成和外界的水力条件所决定，而因工程设计或施工、管理不当造成的渗透破坏事故时有发生。了解土渗透变形的形成机理有助于提高对土本身特性的理解，国内外因渗透变形引发的事故留给后人更多启发、思考，应根据工程自身特点采取相应防止土体渗透破坏的工程措施，以保证施工质量和安全。
参考文献
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