土石坝的坝基处理

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1、土石坝的坝基处理土石坝底面积大，坝基应力较小，坝身具有一定适应变形的能力，坝身断面分区和材料的选择也具有灵活性，所以，土石坝对天然坝基的强度和变形要求，以及处理措施所达到的标准等，都可以略低于混凝土坝。但是，土石坝坝基的承载力、强度、变形和抗渗能力等条件一般不如混凝土坝，所以，对坝基处理的要求丝毫也不能放松。据国外资料统计，土石坝失事约有 40%是由于坝基问题引起的，可见坝基处理的重要性。坝基处理技术近年来业已取得了很大的进展，从国内外坝工建设的成就来看，很多地质条件不良的坝基，经过适当处理以后，都成功地修建了高土石坝。如：加拿大在深 120m 的覆盖层上采用混凝土防渗墙，修建了高 107m

2、的马尼克 3 号坝；埃及则在厚 225m 的河床冲积层上，采用水泥粘土灌浆帷幕，修建了高 111m 的阿斯旺坝。我国在深厚覆盖层上的防渗技术也已进入国际先进行列。铜街子坝，小浪底坝，防渗墙的深度均达 70m 左右。坝基处理的范围包括河床和两岸岸坡。处理的主要要求是：1。控制渗流，减少渗流坡降，避免管涌等有害的渗流变形，控制渗流量；2。保持坝体和坝基的静力和动力稳定，不产生过大的有害变形，不发生明显的均匀沉降，竣工后，坝基和坝体的总沉降量一般不宜大于坝高的 1%；3。在保证坝安全运行的条件下节省投资。 岩基处理岩基处理技术可参见混凝土坝的有关内容，但处理要求则应考虑土石坝的特点。当岩基上的覆盖层

3、较薄时，只需将防渗体座落在岩基上形成截水槽，隔断渗流即可；但对较高的土石坝，从土石坝的坝基处理防渗和稳定安全考虑，有时要挖除较大部分的覆盖层，将防渗体和透水坝壳都建在岩基上。如：努列克坝将心墙部位厚 20m 的覆盖层挖除；奥洛维尔坝将厚 18m 的坝基覆盖层全部挖除，斜心墙和透水坝壳均建在基岩上。防渗体与基岩的接触面要求结合紧密。表层强风化、裂隙密集的岩石应予挖除，将坝建在具有足够强度和整体性好并在渗流作用下不致产生严重溶的岩层上。在岩面不平整或存在微小裂缝处，可通过灌浆、喷水泥砂浆或浇筑混凝土进行处理，防止表层裂隙渗水直接冲刷坝体。过去国内外很多土石坝常在基岩面上浇筑混凝土垫座或建混凝土齿墙

4、。近代的建坝趋势则是将防渗体直接填筑在岩面上，认为混凝土垫座和齿墙作用不明显，受力条件不好，容易裂缝，而且对填土碾压有干扰，不宜采用，但对基岩表面要进行严格的处理，防渗体底部岩面要进行固结灌浆，并保持结合面具有足够的渗径长度。 基岩内部防渗处理的主要设施是帷幕灌浆，用以提高其不透水性、强度和完整性，减小渗流坡降，减少渗漏损失。很多高坝出于安全考虑，利用廊道或平洞对全坝进行深孔帷幕灌浆。近年来不少人对此提出不同看法，认为土石坝坝基渗流控制，除了在断层裂缝和岩溶发育等不良地段确有必要进行灌浆外，应根据每座坝的具体条件进行技术经济论证，确定是否需要灌浆以及灌浆的范围和要求。有一些高土石坝通过论证大大

5、减少了帷幕灌浆的工作量。低坝通常不灌或只做简易的灌浆。 对断层破碎带等不良地质构造，即使高土石坝，也不需过多地考虑承载力和不均匀沉降问题，而应着眼于了解其中填充物的性质和紧密程度以及两侧围岩的岩性，研究其抗渗稳定性和抗溶蚀的性能。要做好防渗体下部顺河断层的防渗处理。处理方法可采用水泥或化学材料灌浆、混凝土塞、混凝土防渗墙，或加宽心墙，加设防渗铺盖，作好排水反滤等，用以阴截渗流，防止管涌和溶蚀。 砂砾石坝基处理 土石坝的坝基处理常见的砂砾石坝基，其河床段上部多为近代冲积的透水砾石层，具有明显的成层结构特性。在这种坝基上即使建造高土石坝，其地基承载力一般也是足够的，而且压缩性不大。如坝基土层中夹有

6、松散砂层，淤泥层，软粘土层，则应考虑其抗剪强度与变形特性，在地震区还应考虑可能发生的振动液化造成坝基和坝体失稳的危险。为此，需进行专门的分析研究，必要时，可采取挖除、排水预压、抗冲加固等措施。在砂砾石地基上建坝的主要问题是进行渗流控制，解决的方法是作好防渗和排水，如：1。垂直防渗设施，包括软粘土截水槽、混凝土防渗墙、灌浆帷幕等； 2。上游水平防渗铺盖；3。下游排水设施，包括：水平排水层、排水沟，减压井、透水盖重等。这些设施可以单独使用，也可以综合使用。 各种垂直防渗设施能比较可靠而有效地截断坝基渗透水流，解决坝基渗流控制问题。在技术条件可能而又经济合理时，应优先采用。在下列情况下宜尽可能采用：

7、1.坝基砂砾石层渗流稳定性差，采用铺盖及排水减压设施仍不能保证坝与地基的渗流稳定时；2。坝基水平成层显著，具有强透水渗漏带，上游铺盖不能有效地控制渗流时；3.坝基砂砾石层厚度不大，不难采用垂直防渗设施解决渗流控制问题时；4.水库不容许有大量渗漏损失时。 垂直防渗设施的形式可以参照以下原则选用：1.砂砾石层深度在 1015m 以内，或不超过 20m 时，宜明挖截水槽回填粘土，对临时性工程则可采用泥浆槽防渗墙；2.砂砾石层厚度在 6070m 以内的，可采用混凝土防渗墙；3.砂砾石层更深上述设施难以选用时，可采用灌浆帷幕，或在深层采用灌浆帷幕，上层采用明挖，回填粘土截水槽或混凝土防渗墙。不论采用何种

8、形式，均宜将全部透水层截断，悬挂式的竖直防渗设施，防渗效果较差。 （一）粘性土截水槽 当坝基砂砾石层不太深厚时，截水槽是最常用而又稳妥可靠的防渗设施。一般布置在大坝防渗体的底部（均质坝则多设在靠上游 1/3 至 1/2 坝顶宽处） ，横贯整个河床并延伸到两岸。槽身开挖断面呈梯形，切断砂砾石层直达土石坝的坝基处理岩基，岩面经处理后回填粘性土料，槽下游侧按级配要求铺设反滤料，槽底宽应该根据回填土料的容许渗流坡降、与岩基接触面抗渗流冲刷的容许坡降以及施工条件确定。截水槽上部与坝的防渗体连成整体，下部与岩基紧密结合，形成一个完整的防渗体系。我国在 60 年代前建成的大坝曾广为应用。截水槽的最大开挖深度

9、一般不超过 20m。国外高土石坝截水槽的开挖深度有的较大，如：加拿大的下诺赫坝最大挖深达 82m。 （二）混凝土防渗墙 深厚砂砾石地基采用混凝土防渗墙是比较有效和经济的防渗设施。一般做法是用冲击钻分段建造槽形孔，以泥浆固壁，然后在槽孔内用水下浇注混凝土的方法浇筑成墙，墙底嵌入弱风化基岩，深度不小于 0.51.0m，墙顶插入防渗体内的深度应大于 1/10 坝高，并不得小于 2m。墙厚按施工条件可在 0.6 1.3m 范围内选用，一般 0.8m 左右。从 60 年代起，混凝土防渗墙得到了广泛的应用，国外挖墙浇筑墙身的最大深度已达 80m 左右。70 年代末成的加拿大马尼克 3 号坝，河床覆盖层最深

10、 120m，建两道混凝土防渗墙，各厚 0.61m，中心距 3.2m，墙深 131m（坝身上部用抓斗建造槽孔，52m 以下采用连锁管柱） 。我国在这方面发展了反循环回转新型冲击钻机、液压抓斗挖槽等技术，在砂砾石层中纯钻工效（70m 以内）平均达到 0.85m/h，进入国际先进行列。黄河小浪底水库计划用深度近 70m 的双排防渗墙，单排墙厚 1.2m。防渗墙设计存在的问题是： 1.墙的受力条件比较复杂，目前关于支承和地基反力的计算假定和参数取值与实际情况不完全相符，计算成果和观测成果有时出入较大；2.对墙身材料及其抗渗性和耐久性的研究还不够。为了适应在深厚覆盖层上建设高土石坝的需要，我国正在开展墙

11、体应力场、位移场以及高强度、低弹模、适应较大变形的墙体材料的研究。 混凝土防渗墙的施工技术较易掌握，对各种地层适应性强，造价较低，所以在砂砾石层地基防渗处理中日益得到广泛的应用。 （三）灌浆帷幕 近年来在砂砾石冲积层中采用水泥粘土灌浆建造防渗帷幕已取得了成功的经验。法国的谢尔蓬松坝，高 129m，砂砾石冲积层地基，1957 年建成灌浆帷幕，深约 110m，顶部厚度 35m，底部厚度 15m，钻孔 19 排，中间 4 排土石坝的坝基处理直达基岩，变孔深度逐步变浅渗流坡降 3.58。埃及阿斯旺心墙坝，坝高 111m，砂砾石冲积层厚 225m，采用灌浆帷幕、与心墙连接的铺盖以及下游减压井等综合处理措

12、施，帷幕最大深度 170m，达到第三纪不透水层（未达岩基）在坝基内设有测压管 180 个，实测帷幕承担水头已达设计的 96.6%，防渗效果显著，帷幕渗流坡降 3.55。 帷幕设计的主要内容在于，根据容许的渗流坡降 J 确定帷幕的厚度 T。我国土石坝设计规范建议的容许坡降值为J=34。对深度较大多排帷幕，可以沿深度采用不同的厚度，按容许坡降确定的厚度 T 是指帷幕顶部的最大厚度。多排灌浆帷幕孔要求按梅花形排列，根据帷幕厚度和孔距可以确定灌浆孔的排数。孔、排距需通过现场试验确定，初步可选为 23m。水泥粘土浆的最优配比一般由试验确定，水泥含量按重量应占水泥和粘土总量的 20%50%，灌浆压力也应通

13、过现场试验确定。 80 年代后，我国发展了高压定向喷射灌浆技术，其原理是：将 30 50Mpa 的高压水和 0.7 0.8Mpa 的压缩空气输到喷嘴，喷嘴直径 23mm，造成流速为 100200m/s 的射流，切割地层形成缝槽，同时由 1.0Mpa 左右的压力把水泥浆由另一钢管输送到另一喷嘴以充填上述缝槽并渗入缝壁砂砾石地层中，凝结后形成防渗板墙。施工时，在事先形成的泥浆护壁钻孔中，将高压喷头自下而上逐步提升即可形成全孔高的防渗板墙。这种喷射板墙的渗透系数为 E- 5E-6cm/s，抗压强度为 6.020.0Mpa,容许渗流坡降突破规范限制，达到 80 100，施工效率较高，有一定发展前途。

14、水泥灌浆的优点是：既可以处理较深的砂砾石层；也可以处理局部不便于用其它防渗方法施工的地层；还可以作为其它防渗结构的补强措施。其缺点是：工艺较复杂，费用偏高，地表需加压重，否则灌浆质量达不到要求。更主要的问题是对地层的适应性差，即这种灌浆方法是否宜于采用，取决于地层的可灌性。地层土料的颗粒级配、渗透系数、地下水流速等都会影响到浆液渗入和凝结的难易，控制着灌浆效果的好坏和费用的高低。我国土石坝设计规范建议采用可灌比值 M 来评价沙粒石坝基的可灌性。 （四）防渗铺盖 用粘性土料修筑铺盖与坝身防渗体相连接，并向上游延伸至要求的长度，也是土石坝常用的防渗设施。铺盖 土石坝的坝基处理 的作用是延长渗径，从

15、而使坝基渗漏损失和渗流坡降减小至容许范围以内。当坝基覆盖层深厚，缺乏采用垂直防渗设施的条件或其造价昂贵难以实现时，适于采用铺盖防渗。当上游有天然铺盖或坝前淤积物较厚可以利用时更值得考虑。铺盖不能像垂直防渗设施那样可以完全截阻渗流，其防渗效果有一定限度，故多在中、小工程中使用，对高坝多和其他防渗设施配合使用。 铺盖的防渗性能取决于其长度、厚度和透水性，一般应通过计算和试验研究来合理确定各顶参数。铺盖土料的渗透系数至少应比地基砂砾石的相应值小100 倍以上，最好达 1000 倍。铺盖长度超过 68 倍水头以后，防渗效果增长缓慢。铺盖前缘的最小厚度不宜小于 0.51.0m，末端与心墙或斜墙连接处的厚

16、度按容许坡降确定。由于天然冲积层大多数不是很均匀的，单纯依靠铺盖难以完全达到预期的效果，因而常和下游 坝基的排水减压设施同时使用，以便有效地控制渗流，保证坝的稳定。 （五）下游排水减压设施 设置排水的目的是为了防排结合，控制渗流。排水有水平排水与竖向排水两种形式。水平褥垫排水的设计详见第七节。坝后反滤盖重由透水材料作成，用以平衡坝基扬压力，其长度和高度根据计算确定，通常从坝脚处向下游延伸，与坝基土层之间按要求设置反滤层。 对于成层结构的砂砾石地基，单纯采用水平防渗设施，常常不能有效地降低渗透压力，特别是当下游坝基有较不透水的土层覆盖时，在其下卧的砂砾石层中可能产生较大的扬压力，导致管涌、流土以及下游沼泽化。这种情况即使采用垂直防渗设施，如果防渗效果不够彻底，也有类似情况发生。此时，可采用排水沟或减压井。当下游侧表层土较薄时，可开挖排水沟深入下部透水层，沟底及边坡设反滤层，表面用块石砌护或做成暗管式。当表层土较厚或坝基深部有强透水层时，则采用减压井较为有效。减压井是深入坝基透水层中的连续并排，井径一般