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水 利 学 报

2025 年 10 月 SHUILI XUEBAO 第 56 卷 第 10 期

文章编号：0559-9350（2025）10-1314-12

考虑渗流溶蚀耦合效应的土石坝防渗墙长期服役性能研究

张文兵 1，2，3 ，李青铭 ，李明超 ，沈振中 ，甘 磊 ，史旦达 2
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（1. 天津大学 水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津 300350；2. 上海海事大学 海洋科学与工程学院，
上海 201306；3. 河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098）
摘要：土石坝混凝土防渗墙服役过程中常受到渗透溶蚀的影响，易诱发结构性能退化并导致防渗系统失效和坝基
渗透破坏等问题。本文在饱和-非饱和渗流及传统接触溶蚀理论的基础上，考虑渗流作用对混凝土内固相钙非平
衡分解过程的影响，建立了针对土石坝防渗墙性能劣化分析的新渗流-溶蚀耦合模型，并通过室内渗透溶蚀试验
验证了该模型的合理性。本文以某土石坝工程为例，研究了土石坝防渗墙长期服役过程中的渗透溶蚀演化特征，
分析并揭示了渗透溶蚀过程中混凝土防渗墙的性能演化规律，提出了以临界水力梯度作为新的判别标准，用于估
算混凝土防渗墙安全服役年限的方法。研究结果表明，防渗墙混凝土的钙溶蚀主要发生在上游迎水面、绕渗部位
以及相邻土层分界高程位置；渗透溶蚀过程中，混凝土防渗墙固相钙的溶出量、平均孔隙率、扩散系数和渗透系
数均随时间增加呈指数型增长，防渗性能逐渐削弱；对于完全渗透溶蚀的混凝土防渗墙，较其初始平均孔隙率增
长约 7 倍，较其初始平均渗透系数与扩散系数增加约 2 ~ 3 个数量级。大坝服役过程中，渗流溶蚀耦合效应会导致混
凝土防渗墙内水力梯度逐渐增大，采用临界水力梯度判别法能够较为准确地估算出土石坝防渗墙的安全服役年限。
关键词：土石坝；混凝土防渗墙；渗透溶蚀；水力梯度；安全服役年限
中图分类号：TU502 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20240501

1 研究背景

混凝土防渗墙作为土石坝最常用的加固和防渗结构，是保证大坝长期服役安全的关键防线 ［1-2］ 。
然而，混凝土防渗墙作为隐蔽的地下工程，常面临高水头作用和软水侵蚀等问题 ［3-5］ 。特别是水力梯
度驱动的渗流联合溶蚀作用（即渗透溶蚀）带来的物理化学损伤行为，易诱发混凝土防渗墙性能退化，
并导致防渗系统失效和坝基渗透破坏 ［6-8］ ，给大坝的长期服役安全带来严峻挑战。
渗透溶蚀是导致混凝土防渗结构性能退化不可逆的本质性病害之一 。渗透溶蚀过程中，混凝土
［9］
中的主要水化产物氢氧化钙（CH）和水化硅酸钙（C-S-H）凝胶分解析出，导致孔隙率增加，进而引起扩
散性和渗透性增大 ［10-11］ 。与传统接触溶蚀不同，渗透溶蚀过程中固相钙溶出的驱动力不仅是浓度梯
度，还包括水力梯度，水力梯度驱动的渗流作用会进一步加快混凝土中固相钙的溶出。我国许多水工
混凝土防渗结构在运行多年后渗透溶蚀病害问题开始显现，如运行 70 多年的丰满大坝，其混凝土防渗
［12］
墙中每年溶出的固相钙量平均高达 6 t，局部渗漏部位的混凝土强度损失可达 20% 。古田溪三级面板
支 墩 坝 运 行 40 年 后 ， 其 部 分 坝 段 混 凝 土 面 板 强 度 损 失 高 达 35.7%， 面 板 承 载 能 力 几 乎 达 临 界 状
态 ［13-14］ 。此外，一些坝龄较短的水库大坝混凝土防渗结构，也出现了严重的渗透溶蚀病害 。
［8］

收稿日期：2024-08-05；网络首发日期：2025-10-17
网络首发地址：https：/link.cnki.net/urlid/11.1882.TV.20251016.1357.001
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基金项目：国家自然科学基金项目（52409162，52571297）；上海市“科技创新行动计划”启明星项目（扬帆专项）（23YF141600）；
上海市自然科学基金项目（24ZR1427900）
作者简介：张文兵（1993—），博士，讲师，主要从事水工程长效服役安全研究。E-mail： zhangwb@shmtu.edu.cn
通信作者：沈振中（1968—），教授，主要从事水工结构安全评价与风险分析研究。E-mail： zhzhshen@hhu.edu.cn
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