水库大坝渗流控制方法探讨

一、引言

水库大坝在防洪、灌溉、供水、发电等方面发挥着不可替代的作用。然而，在大坝运行过程中，由于受到上下游水位差、地质条件、坝体材料及施工质量等多种因素影响，渗流现象普遍存在。若渗流得不到有效控制，随着时间推移，可能引发坝体内部侵蚀、管涌、流土等病害，严重威胁大坝结构安全，甚至导致大坝垮塌，造成灾难性后果。因此，研究和采用科学有效的渗流控制方法，对保障水库大坝长期安全稳定运行具有极其重要的现实意义。

二、水库大坝渗流的基本原理与危害

2.1 渗流基本原理

在大坝上下游水头差作用下，库水会通过坝体、坝基及坝肩的孔隙、裂隙等通道发生渗流现象。渗流过程遵循达西定律，即渗流速度与水力梯度成正比，比例系数为渗透系数，它反映了岩土体的透水性能。坝体和坝基的岩土体类型多样，其渗透系数差异较大，如黏土的渗透系数较小，而砂卵石等粗粒土的渗透系数相对较大，这使得渗流在不同介质中的运动规律较为复杂。同时，渗流还受到地下水位变化、温度、孔隙结构等因素影响，进一步增加了渗流分析的难度。

2.2 渗流对大坝的危害

2.2.1 坝体结构破坏

持续的渗流作用可能带走坝体 致坝体孔隙率增大，强度降低，出现空洞、塌陷等现象。尤其在土石坝中，渗流引 指在渗流作用下，土中的细颗粒通过粗颗粒形成的孔隙通道被带出，在坝 则是在渗流力作用下，坝体或坝基表面一定范围内的土体颗粒同时发生移动，造成土体隆起、 开裂等破坏，严重时可直接导致坝体垮塌。

2.2.2 基础失稳

坝基渗流会产生渗透压力，增加坝基的扬压力，降低坝体的抗滑稳定性。对于建在软弱地基上的大坝，过大的渗透压力可能使地基发生剪切破坏，引发大坝整体滑动。此外，渗流还可能对地基中的软弱夹层产生软化、泥化作用，进一步削弱地基的承载能力，危及大坝安全。

2.2.3 水资源浪费

大坝渗流会导致库水流失，降低水库的蓄水能力和水资源利用效率。这不仅影响水库的正常功能发挥，如灌溉、供水等，还可能造成经济损失，特别是对于一些水资源短缺地区，渗流引起的水资源浪费问题更为突出。同时，渗漏的库水还可能对周边环境产生不利影响，如导致地下水位上升，引发土壤盐碱化等。

三、水库大坝渗流控制方法

3.1 防渗技术

3.1.1 水平防渗

水平防渗主要通过在大坝上游铺设防渗铺盖来实现。防渗铺盖一般采用黏土、土工膜等渗透系数较小的材料，与坝体防渗体相连，形成整体防渗体系。其作用原理是延长渗流路径，减小渗透坡降，从而降低渗流量。例如，在某平原地区水库，坝基为深厚的砂卵石层，相对不透水层埋藏较深，采用黏土铺盖进行水平防渗。铺盖厚度根据计算确定，一般为1-3m，铺设时严格控制黏土的压实度，确保其防渗性能。水平防渗施工相对简单，成本较低，但对地基变形较为敏感，若地基发生不均匀沉降，可能导致铺盖开裂，影响防渗效果。

3.1.2 垂直防渗

①防渗墙：防渗墙是利用专用设备在坝基中建造的一道连续垂直防渗结构，常用的有混凝土防渗墙、塑性混凝土防渗墙和土工膜防渗墙等。以混凝土防渗墙为例，其施工过程为：首先利用挖槽机械，在泥浆护壁下开挖槽孔，然后在槽孔内浇筑混凝土形成墙体。混凝土防渗墙具有防渗效果好、适应地层范围广等优点，可有效截断坝基渗流通道。如小浪底土石坝的地基防渗采用了塑性混凝土垂直防渗墙，墙厚0.8m，深入基岩一定深度，成功解决了坝基深厚覆盖层的防渗难题，保证了大坝的安全运行。但防渗墙施工技术要求高，施工难度较大，成本相对较高。②帷幕灌浆：帷幕灌浆是在坝基中钻孔，将浆液注入地层孔隙或裂隙中，形成一道连续的防渗帷幕。灌浆材料通常为水泥浆、化学浆液等。通过合理设计灌浆孔的布置、灌浆压力和浆液浓度等参数，使浆液在地基中扩散并固化，填充渗流通道，降低地基的渗透性。帷幕灌浆适用于各种岩石地基和部分砂砾石地基，是坝基防渗中应用最为广泛的方法之一。例如，三峡大坝坝基采用了水泥帷幕灌浆进行防渗处理，帷幕深度根据地质条件确定，最深达 120m 以上，有效阻止了库水向坝基的渗漏，保障了大坝的稳定。然而，帷幕灌浆对施工工艺和质量控制要求严格，若灌浆不密实或存在漏灌现象，将影响防渗效果。

3.2 排水措施

3.2.1 坝体排水

坝体排水的目的是降低坝体浸润线，减小渗透压力，增强坝体稳定性。常见的坝体排水形式有棱体排水、贴坡排水和褥垫排水等。棱体排水设置在坝体下游坡脚处，由块石或砾石等透水材料堆筑而成，形如棱体。它能有效排除坝体渗水，降低浸润线，并对下游坝坡起到反滤和支撑作用。贴坡排水则是直接在下游坝坡表面铺设反滤层和排水层，结构简单，施工方便，但不能有效降低坝体内部浸润线，一般适用于小型坝或浸润线较低的坝体。褥垫排水是在坝体内部靠近上游防渗体处设置水平排水层，通过与坝体下游的排水设施相连，将坝体渗水快速排出。某中型土石坝采用了棱体排水与褥垫排水相结合的方式，棱体排水有效保护了下游坝坡，褥垫排水则降低了坝体内部浸润线，提高了坝体的抗滑稳定性。

3.2.2 坝基排水

坝基排水主要包括排水孔和减压井等设施。排水孔是在坝基中钻孔，将坝基渗水引入排水廊道或下游，降低坝基扬压力。排水孔一般布置在防渗帷幕下游，孔距和孔深根据地质条件和渗流计算确定。减压井则是通过抽取坝基中的地下水，降低地下水位，减小渗透压力。对于建在强透水地基上的大坝，减压井常作为一种有效的渗流控制手段。如某大型水闸工程，坝基为砂质粉土，透水性较强，通过设置减压井，有效降低了坝基扬压力，保证了水闸的安全运行。但减压井需要定期维护和抽水，运行成本较高。

3.3 反滤与压重措施

3.3.1 反滤层设置

反滤层是防止土体渗透破坏的重要措施，其作用是滤土排水，即在允许渗水通过的同时，阻止坝体或地基中的土颗粒被渗流带走。反滤层 同粒径的砂 织物等材料组成，粒径沿渗流方向逐渐增大。设计反滤层时，需遵 确保各层之 排水，又能防止土颗粒的流失。反滤层通常设置在排水设施与坝体或地基 接触部位，如坝体排水体与坝壳之间、减压井周围等。在某土石坝工程中，在坝体排水棱体与坝壳土之间设置 了合理级配的反滤层，有效防止了坝壳土颗粒的流失，保证了排水系统的正常运行。

3.3.2 压重处理

压重是在大坝下游坡脚或可能发生渗透破坏的部位铺设一定厚度和重量的材料，如块石、土料等，以增加土体的有效重量，抵抗渗透力，防止管涌、流土等渗透破坏现象的发生。当坝基或坝体下游存在较弱土层，且渗透压力较大时，压重处理是一种简单有效的渗流控制方法。例如，在一些小型水库土石坝中，在下游坝脚处堆筑一定高度和宽度的块石压重平台，增强了坝体的抗渗稳定性。但压重处理需要占用一定的场地，且对压重材料的选择和施工质量有一定要求。

四、水库大坝渗流控制案例分析

4.1 案例一：板桥水库廊道渗漏治理工程

板桥水库位于河南省驻马店市汝南县，承担着防洪、灌溉与供水的重要功能。然而，其溢流坝段廊道在近30 年运行中，渗漏问题反复出现，虽经多次堵漏补强灌浆处理，渗漏量仍未得到有效控制。2020 年除险加固工程中，根据 2012 年水利部大坝安全管理中心安全鉴定及 2016 年郑州大学水利与环境学院的检测，决定采用非水反应类高聚物注浆技术。检测显示，负一层并缝廊道 30 处裂缝中有 24 处渗漏，负二层灌浆及主排水廊道25 处裂缝里 18 处渗漏，裂缝长度 0.05-1.70m、宽 0.3-2.0mm、深 51-291mm，部分区域渗水呈喷射状，表明已形成贯通渗流通道。

分析渗漏原因：早期施工存在混凝土漏振、蜂窝等质量缺陷，蓄水后发展为渗漏通道；前期处理不彻底，未能完全阻断渗流；温度变化影响浆体胶结，冬季渗漏加剧；长期渗水导致混凝土劣化。非水反应类高聚物注浆材料具备低水敏、快速固化等特性，通过钻孔注入裂缝，有效填充封堵。工程实施后，廊道渗漏量减少超80%，渗水结晶体消失，坝体渗流稳定性显著提升。

4.2 案例二：新安江水库大坝渗流监测与控制

新安江水库位于浙江省杭州市 大坝为混凝土重力坝，坝高105m。在运行过程中， 坝体渗流量等参数进行实时监测。早期监测数 量渗水现象。经地质勘察与渗流分析，发现坝基存 系列针对性措施。首先，对坝基裂隙发育带实施 裂隙内形成连续的防渗固结体，有效封堵渗流通道。其次 孔距 2m，及时将坝基渗水引入排水廊道，降低坝基扬压力。同时，对坝体表面渗水点进行细致排查与封堵，采用防水混凝土和止水材料对渗水裂缝进行修补，增强坝体自身防渗能力。

实施这些措施后，新安江水库大坝的渗流状况得到有效改善。坝基扬压力稳定在正常范围，坝体渗水量明显减少。持续的渗流监测数据表明， 大坝运行安全得到可靠保障。该案例充分体现了科学监测与合理控制措施相结合，对保障大型水库大坝渗流稳定的重要性，也为其他混凝土重力坝的渗流控制提供了可借鉴的范例，凸显了实时监测在及时发现并解决大坝渗流问题中的关键作用。

五、水库大坝渗流控制技术的发展趋势

5.1 新型材料的应用

随着材料科学的不断发展，新型防渗和反滤材料不断涌现。例如，纳米材料具有优异的防渗性能，其极小的粒径能够有效填充土体孔隙，降低土体渗透性，有望在大坝防渗工程中得到应用；智能材料可根据外界环境变化自动调整自身性能，如形状记忆合金可用于制作防渗结构中的伸缩缝止水装置，当结构发生变形时，记忆合金能恢复到预设形状，保证止水效果。此外，新型土工合成材料如高强度、高抗渗性的土工膜，以及具有自愈合功能的土工复合材料，也将为大坝渗流控制提供更多选择，提高工程的可靠性和耐久性。

5.2 智能化监测与控制技术

利用物联网、大数据、人工智能等先进技术，实现大坝渗流的智能化监测与控制是未来发展的重要趋势。通过在大坝关键部位布置大量高精度传感器，实时采集渗流压力、流量、水位等数据，并通过无线传输技术将数据传输至监控中心。借助大数据分析和人工智能算法，对监测数据进行深度挖掘和分析，及时准确地判断大坝渗流状态，预测渗流发展趋势，当发现异常时，自动启动相应的控制措施，如调整排水设备运行参数、启动应急防渗装置等，实现大坝渗流的智能化管理，提高大坝运行的安全性和可靠性。

5.3 多学科交叉融合

大坝渗流控制涉及岩土力学、水力学、材料科学、工程地质等多个学科领域，未来将更加注重多学科的交叉融合。通过跨学科研究，深入揭示渗流在复杂地质条件和多因素耦合作用下的发生发展规律，建立更加精确的渗流分析模型，为渗流控制方案的优化设计提供更坚实的理论基础。例如，结合地质统计学和数值模拟方法，考虑岩土体参数的空间变异性，提高渗流计算结果的准确性；运用环境科学知识，研究渗流对周边生态环境的影响，实现大坝渗流控制与生态环境保护的协调发展。

六、结论

水库大坝渗流控制是确保大坝安全 定运行的关键环节。通过采用防渗、排水、反滤与压重等多种渗流控制方法，并结合实际工程情况进 以有效降低渗流对大坝的危害，提高大坝的抗渗稳定性。同时，随着新型材料、 方面的不断发展，水库大坝渗流控制技术将迎来新的突破和发展机遇。在今后的大坝 应充分关注渗流控制技术的发展动态，积极应用新技术、新材料，不断完善渗流监测与控制体系 水库 大坝的长期安全运行，为经济社会的可持续发展提供坚实的水利支撑。

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作者简介：余征宇（1992.03-），男，汉族，湖南省平江县，本科，工程师，研究方向：水利水电