渗透稳定问题,是由坝基岩体中的渗透水流引起的。大坝建成水库蓄水后,坝上、下形成较大的水头差,将使坝基下的渗流水压力增高,渗流量加大,对坝基的稳定产生十分不利的影响。国内外因坝基失稳而遭到破坏的大坝事故中,大多都与坝基下渗流的不良作用有关。渗流对坝基稳定的影响,除了可使坝基岩体软化、泥化、溶蚀,并降低其强度外,还表现在以下两个方面。
1.产生扬压力,削减了坝体的垂直荷重
扬压力是渗透水流作用在坝基底面的向上的压力。它由渗透压力和浮托力两部分组成(图5-1)。渗透压力是在坝体上下游水头差(H1)的作用下产生的静水压力,它的大小等于该作用点上的水头高度乘以水的重度(rω),在上游面其值等于rωH1,在坝趾处等于零,呈三角形分布。浮托力是在下游水头(H2)的作用下产生的静水压力,在坝基下它的大小处处相等,均等于rωH2,呈矩形分布。渗透压力是扬压力的主要组成部分。
图5-1 坝基下扬压力分布图
扬压力可以抵消一部分坝体的垂直荷重,因而降低了坝基岩体中的抗滑力,直接影响着坝基的抗滑稳定。如安徽省梅山连拱坝,坝高88.2m,由15 个垛和16 个拱组成。坝基为细粒花岗岩,抗压强度在100MPa以上,其中右坝肩14~16 号垛基下花岗岩轻微风化,厚度1~5m,岩体中裂隙、断层发育,坝上、下游还各有一个冲沟,将坝肩岩体切割成半岛形,三面临空。1956 年1 月大坝建成后蓄水20 多亿m3,1962 年11 月6 日发生了渗水现象,最大渗漏量为70L/s,14垛左侧有一个钻孔往外射水,水平射程达11m,这说明坝基下扬压力很高。后来,右岸岩体发生轻微滑移和张裂(图5-2),14、15、16 号拱圈出现多条裂缝,拱垛也发生了偏斜,其中15 号拱内缘混凝土裂缝自上而下长达28m,拱顶裂开6.6mm,使大坝处于很危险的状态中。后立即放空库水,经采取全面加固处理措施,至今运行正常。造成这一严重问题的原因是,坝基下的渗漏通道没有完全堵塞,渗流又不很通畅,从而导致裂隙中的渗透压力不断增大,引起坝基滑动和漏水。另外,断层和裂隙中所含的泥质,在渗流作用下强度不断降低,也是原因之一。
图5-2 安徽梅山连拱坝右岸渗水及滑动示意图(www.xing528.com)
2.产生动水压力,引起坝基沉陷变形甚至破坏
动水压力是渗透水流作用在岩(土)体上的冲动压力,其方向与渗流方向一致,其数值等于水的密度、水力坡度及渗流体积的乘积。若取一个单位体积进行计算,其表达式为
当坝基岩体中存在有软弱夹层或裂隙与溶洞中有充填物时,在渗流的冲刷及动水压力作用下,将会逐渐被水流带走,使坝基形成空洞,从而引起沉陷变形,甚至破坏。这种现象称为渗透变形。可以看出,渗透变形与渗流的地下潜蚀、流土、流砂、管涌相伴,它们都是人类工程活动中常见的地质灾害。例四川省永川陈食水库,为8 跨浆砌条石连拱坝,坝区为侏罗系泥岩和砂岩。由于清基不彻底,有的拱放在裂隙发育且风化的泥岩上,又没有采取防渗措施。水库蓄水后,库水沿泥岩中裂隙向坝下游渗漏,裂隙不断被冲蚀扩大,3 号与6 号拱背后分别有泉水溢出。当水库蓄水至23m时,3 号拱基岩体中一组宽达20cm陡倾的充泥裂隙发生渗透变形破坏,在潜蚀作用下扩大成洞,库水迅猛下泄,近100 万m 3 的库水在10 多分钟内渲泄一空,坝基被冲蚀形成一个高15m、宽8m、深7m 多的洞穴(图5-3)。
图5-3 四川省永川陈食水库坝址管涌示意图
(a)平面图;(b)A—A剖面示意图;(c)冲蚀洞剖面
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