我国土石坝渗流控制理论发展现状

第33卷 第5期 岩 土 工 程 学 报 Vol.33 No.5 2011年5月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering May 2011 我国土石坝渗流控制理论发展现状刘 杰，谢定松（中国水利水电科学研究院，北京 100048）摘要：近年来，我国高土石坝迅速发展，水布垭面板堆石坝高233 m，为世界之最，防渗和排渗相结合反滤层保护渗流出口的渗流控制原理得以充分展现，对大坝的经济性和安全性都有重要意义。

我国土石坝渗流控制理论的现代水平主要体现在四个方面：①心墙裂缝纳入渗流控制范畴；②面板坝的渗流控制更加完善；③反滤层的作用更显明确；④排水体的作用进一步发挥。

关键词：高土石坝；心墙裂缝；反滤排水；深厚覆盖层；渗流量中图分类号：TV641 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2011)05–0714–05作者简介：刘杰(1933–)，男，教授级高级工程师，主要从事岩土工程渗流及渗流控制研究。

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Advances of earth-rock dam seepage control theory in ChinaLIU Jie，XIE Ding-song(China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China)Abstract: High earth-rock dams have been extensively constructed in China. Shuibuya CFRD, 233 metres in height, is the highest in the world. The theory of seepage control is adequately developed, and the seepage exit is protected by the filter while seepage prevention is combined with expulsion. It is important for the safety and economy of dams. The development of seepage control theory is exhibited in four aspects: (1) the core crack is included in the study of seepage control; (2) the seepage control of CFRD is improved constantly; (3) the filter works increasingly effectively; (4) the function of drain increases.Key words: high earth-rock dam; core crack; filter drain; deep overburden; seepage discharge1 概 述从20世纪50年代开始，渗流和渗流控制逐渐成为一门学科，渗流场的渗流分析、土的渗透稳定性质及渗流控制原理和方法的研究得到迅速发展。

在渗透稳定方面明确了渗流破坏开始于渗流出口，防止渗流出口的渗透破坏是首要因素。

实践表明，防渗的方法可以有效地减小渗漏量，不可能确保无渗流，也不可能保证渗流出口不渗透破坏。

从20世纪80年代开始，水工建筑物渗流控制原理由上堵下排以防为主的原则，逐渐发展为防渗与排渗相结合反滤层保护渗流出口，在工程中得到普遍应用。

20世纪80年代以后，我国的高土石坝迅速发展，不仅高度雄居世界前茅，渗流控制也有较大发展。

在建的糯扎渡心墙堆石坝高261.5 m，拟建的双江口土石坝高312 m，建成的水布垭面板堆石坝高233 m，是当前世界上最高的面板堆石坝。

渗流控制方面，主要表现在以下几点：①土石坝心墙裂缝纳入渗流控制范畴；②面板坝的渗流控制愈加完善；③反滤层的渗流控制作用更显明确；④排水体的作用进一步得到发挥。

2 高土石坝心墙裂缝纳入渗流控制范畴高土石坝产生水平裂缝是大坝的关键问题之一，要害是渗透破坏。

半个世纪以来，国际上在土石坝防止心墙水平裂缝方面采取了一系列措施，开始的重点是防止产生裂缝，其措施一方面着眼于大坝的结构形式，如变直心墙为斜心墙，坝轴线由直线型改为上拱型，以防止心墙产生拱效应。

这方面以加拿大1973年建成的245 m高的买加（Mica）坝为最典型，既是斜心墙，在平面上坝轴线又呈上拱型。

另一方面是减小心墙的沉降量，防止较大的不均匀变形。

随着工程经验的不断丰富，工程师们逐渐开始从渗流控制的角度考虑心墙裂缝问题，如前苏联1980年建成的高300 m的努列克（Nurek）坝，心墙原采用黏粒含量高30%的黄土类黏性土，后经心墙裂缝冲蚀试验，采用了砾质土，在反滤保护下裂缝自愈能力均强于细粒黏性土，同时心墙下游面采用了粒径范围为0.1～10 mm的细反滤层，以保证裂缝自愈[1]。

───────基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目（2006BAC14B04）；中国水利水电科学研究院科研专项基金（岩集0908）收稿日期：2009–12–29第5期刘杰，等. 我国土石坝渗流控制理论发展现状 715世界坝工专家J.L谢拉德（sherard）20世纪80年代中期提出“斜心墙和拱型心墙在世界坝工中已很少采用，目前防止心墙水平裂缝渗透破坏的有效措施是设计良好的心墙下游面的反滤层”[2]，表明坝工界在对待土石坝心墙裂缝方面的认识，已由单纯防止产生裂缝转化为同时采用渗流控制的方法。

当前我国的土石坝建设，无论坝的高度还是渗流控制水平均居世界前列。

高土石坝的心墙形式主要是直心墙，土料主要是砾石土和风化料，并按有裂缝的情况确定心墙下游面的反滤层。

如1991年竣工的103.8 m高的鲁布革土石坝，原设计心墙料采用10 km外的红黏土，经过大量试验，坝趾附近的风化料虽然防渗性能差于红黏土，但抗裂缝冲蚀及裂缝自愈能力均强于红黏土，后就地取材改用>5 mm的颗粒含量小于40%，<0.1 mm的颗粒含量大于30%的风化料[3]。

施工期现场35组原状土室内试验结果表明，垂直向渗透系数的平均值为1.47×10-5 cm/s，水平向渗透系数的平均值为1.54×10-5 cm/s。

心墙下游采用了粒径为0.1～20 mm，d20<1.5 mm，不均匀系数u 14c=的细反滤层，并直接采用的是河床天然砂砾石料[4]。

鲁布革土石坝第一次采用风化料作防渗体，揭开了我国高土石坝防渗土料采用砾石、碎石土的序幕。

又如我国刚建成的186 m高的瀑布沟土石坝，经过了大量的试验研究，最后选用黑马I区的洪积砾石土作为防渗土料，颗粒平均级配曲线<5 mm的颗粒含量为50%，>0.005 mm的颗粒含量为5%，渗透系数为2.10×10-5 cm/s。

渗透变形试验结果表明，渗透破坏形式为流土；防止心墙裂缝冲蚀保证裂缝自愈的反滤试验结果表明，反滤层的等效粒径d20<1.5 mm[7]，实际采用的反滤层的粒径范围0.1～5 mm[5-6]。

在大渡河拟建的双江口水电站，土石坝高312 m，为当代最高土石坝，心墙拟采用黏土掺碎石的砾石土，掺合后混合料中<0.005 mm的颗粒含量为7%～12%，试验结果表明，渗透系数变化于 1.85×10-5～5.50×10-7 cm/s之间，渗透破坏形式均为流土，出现水平裂缝后，在d20<0.6 mm的反滤层作保护下，水力比降J=100裂缝仍然很快自愈[7]。

上述工程实例表明，当前我国高土石坝心墙裂缝问题已从单纯以防为主转变为防渗为主防排结合。

渗流控制的措施，一是土料采用防渗性能差于黏性土的无凝聚或少凝聚的砾石、碎石土。

这类土的无侧限抗压强度低，遇水后易湿化崩解，裂缝愈合能力强。

二是重视反滤层的设计，按有裂缝的情况设计反滤层，保护裂缝渗流出口，确保裂缝自愈。

这是当前世界坝工建设现状，也是我国坝工建设水平。

3 面板坝的渗流控制措施多层化早期面板坝的渗流控制重点放在面板的止水结构方面，面板的止水结构多达3道以上，有时仍然难免出现大量漏水问题。

目前面板坝的渗流控制，除上游面板外，升化了垫层料的防渗作用，并增设了上游黏土铺盖。

在渗透系数为310 cm/s−的垫层料的保护下，面板一旦裂缝，黏土铺盖可以淤填裂缝。

谢拉德根据世界坝工经验提出面板坝垫层料应采用渗透系数为10-3～10-4 cm/s的半透水材料作为第二道防渗防线的建议后，我国坝工专家很快采纳了这一建议。

为落实这一建议，中国水科院结合天生桥面板坝的垫层料进行了试验研究，研究结果表明，要满足上述要求，不仅土中<5 mm的颗粒含量需达30%～50%，而且<1 mm的颗粒含量至少达20%～30%，以保证土中的d20=0.2～1.0 mm[8]。

国内几座百米以上的高面板坝，均按此原则设计了垫层料，如表1所示。

高面板坝运行经验表明，面板与垫层之间脱空是高面板坝的主要问题之一。

如2000年建成的178 m 高的天生桥一级面板堆石坝，运行后在面板与垫层的结合面，探测了27805 m2，其中脱空面积达8314 m2，占30%，单块最大脱空面积400 m2，脱空空隙开度1～5 cm，高度25 m[9]。

面板断裂、止水结构拉断后，一旦漏水，面板防渗将会完全失效，如果面板脱空则垫层表面脱空部分直接与上游库水相连通，垫层料过粗时，则大坝的防渗能力显著降低。

对于砂砾石面板坝，如果没有专门的排水系统，将会导致坝体渗透破坏，甚至溃决。

若是堆石面板坝，将会出现大量的渗漏。

如71 m高的沟后砂砾石面板坝，研究结果认为，它的溃决不单纯是面板顶部与防浪墙趾板间的止水断裂，更主要的是表1 国内外部分高面板坝垫层料的基本特性Table 1 Basic characteristics of cushion materials in high CFRDs坝名水布垭天生桥三板溪洪家渡株树桥坎泼斯诺沃斯巴拉格兰德坝高/m 233 178 185.5179.5 78 202 185 <5mm /% 35～50 35～55 35～50 40 10～37 10～38 —<1.0mm /% 19～21 20～21 20～33 22 5～15 3～22 —d20/mm 0.35～1.0 0.25~1.5 0.3～1.00.7 2～22.0 1～10 —渗透量/(L·s-1) —165/80 /15-21 59/20 2500 1400 1300k/(cm·s-1) i×10-3~i×10-4(0.43～8.2)×10-3(1～9)×10-31.5×10-32.9×10-1～3.5×10-36.50ｘ10-2*—*按式（1）计算结果716 岩土工程学报2011年由于上部面板大量脱空，大面积失去防渗能力，当库水位超过面板顶端，并高于防浪墙址板后，顶部接缝大量漏水，使库水与面板脱空体相连通，并由垫层料直接进入坝体。