浅谈土石坝

浅谈土石坝

土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。当坝体材料以土和砂砾为主时，称土坝；以石渣、卵石、爆破石料为主时，称堆石坝；当两类当地材料均占相当比例时，称土石混合坝。土石坝是历史最为悠久的一种坝型。近代的土石坝筑坝技术自２０世纪５０年以后得到发展，并促成了一批高坝的建设。目前，土石坝是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。

土石坝按坝高可分为：低坝、中坝和高坝。

土石坝按其施工方法可分为：碾压式土石坝；冲填式土石坝；水中填土坝和定向

爆破堆石坝等。应用最为广泛的是碾压式土石坝。

一、土石坝的地基处理

土石坝的底面积大,坝基应力较小,坝体具有一定的适应变形的能力,坝体断

面分区和材料的选择也具有灵活性。因此,土石坝对天然地基在强度和变形方面的要求以及处理措施、应达到的标准等,均可比混凝土坝相对较低,但防渗要求上则与混凝土坝基本相同。土石坝对不同的地基有不同的处理方法,着重对土石坝地基处理与软土地基处理的方法作以介绍。

砂卵石地基处理

许多土石坝建在砂卵石地基上,对于砂卵石地基的处理主要是解决渗流控制问题。处理的主要措施有垂直防渗措施、水平防渗措施和下游排水设施及盖垂等,垂直防渗措施可有效地截断坝基渗流,在技术条件许可且较经济合理时,应优先采用。

垂直防渗设施。垂直防渗设施包括黏性土截水槽、混凝土防渗墙和灌浆帷幕等。

(1)黏性土截水槽。当坝基砂砾石层深度不大时,可开挖深槽直达不透水层或基岩,槽内回填黏性土,与坝内防渗体连成整体,称之为截水槽。它结构简单、工作

可靠、防渗效果好、应用较广,适用于砂砾石层深度在15m以内,最大深度一般不超过20m。截水槽底宽根据回填土的容许渗透坡降及施工条件而定。为防止截水墙与基岩间可能出现的集中渗流,常在基岩上设置混凝土齿墙或垫座,必要时还需要进行灌浆。

(2)混凝土防渗墙。当坝基砂砾石层较深时,采用混凝土防渗墙是经济而又有效的防渗措施。施工时用冲击钻分段在土层中造成圆孔或槽形孔,以泥浆固壁,然后在槽孔内浇筑混凝土,最后连成整体,形成混凝土防渗墙。墙底嵌入弱风化基石,深度不少于0.5~1.0m,墙顶插入防渗体内的深度1/10坝高。墙厚一般为0.6~1.3m,多采用0.8m左右。混凝土防渗墙一般适用砂砾石层深度在80m以内的情况。

(3)灌浆帷幕。当砂砾石层深度很大时,可采用灌浆的方法进行防渗处理。也可在土层采用黏土截水槽或混凝土防渗墙,下部采用灌浆帷幕。砂砾石地基是否适合于灌浆,取决于它的可灌性,其可灌性可根据砂砾料的性质和级配,用可灌比和渗透系数来判别。根据反滤原理,一般认为M<5时,可灌性很小;M=5~10时,可灌性差;M>10时,可灌水泥黏土浆;M>15时,可灌水泥浆。渗透系数K>40m/d,可灌水泥黏土浆;K>80m/d时,可灌水泥浆。当可灌性不好时,可考虑采用化学灌浆。砂砾层的帷幕灌浆大多采用水泥黏土浆,它不仅耗费水泥量少,比较经济,而且还有浆液性能好、不易深沉、防渗效果好等优点。帷幕的厚度按容许坡降确定,而帷幕厚度T=H/J(H为最大设计水头,J为帷幕容许坡降),对于水泥黏土浆,帷幕的渗透坡降可采用3~4。

1水平防渗铺盖。防渗铺盖是一种水平防渗设备,可由斜墙、心墙等防渗体或均质坝体向上游水平延伸而成。其结构简单,防渗可靠,造价较低廉。铺盖通常采用黏性土料铺筑,也可以采用土工膜作铺盖,铺盖不能完全截断渗流,但能增加渗径,可将坝基渗透坡降和渗流量控制在容许范围内。当河床透水层很厚时,采用垂直防渗设施有困难时,可以考虑采用铺盖防渗,有时还可以利用天然透水地基中的1层不透水层作铺盖。如果地基是渗透性很大的砾石层或渗透稳定性很差的粉细砂,不宜采用铺盖。铺盖的渗透系数应小于1×10-5cm/s,并至少比地基渗透系数小100倍,铺盖长度应根据地基特性和防渗需要由计算确定,一般为4~6倍水头,铺盖厚度由土料的容许渗透坡降而定,由上游端向下游端逐渐加厚。上游端最小厚度

可以取0.5~1.0m,铺盖顶面要有保护层,以防蓄水发生干裂及运用期间的波浪作用和水流冲刷而导致破坏。

排水减压等措施。一般而言,当坝下游表层土较薄时,可开挖排水沟深入到下部透水层、排水沟底和边坡设反滤层;当表层土较厚或深部有强透水层时,设排水减压井比较有效,有时也可采取减压井加盖的方法。盖一般采用透水料,盖重与被保护土之间应设反滤层。

软土地基处理

淤泥层地基处理。淤泥夹层天然含水量大、容量小、抗剪强度低、承截力小。当分布范围不大,埋藏较浅时,一般应全部挖除;当埋藏较深,分布范围较广时,常采用压重法或采用砂井加速排水固结。

细砂地基处理。均匀饱和细砂地基在地震或其他突然荷载作用下易于液化,常采取措施加以处理。当厚度不大且接近地面时,可考虑将其挖除。若砂层较厚可用上下层截水墙或板桩加以封闭,但此法不够经济。当砂层很厚时,可在坝址附近设砂井,降低砂层承压水头以防液化。用振冲器法加固地基,防止液化也有较优的效果。

软黏土和黄土地基处理。软黏土层较薄时,一般全部挖除,当土层较厚时,可用砂换法、振冲器法,或在坝基中设排水砂井加速软土固结,提高承载力。

二、土坝的裂缝成因及控制

（1）裂缝成因

由于土石坝的不均匀沉降、地基处理不当、设计和施工过程中的问题,使土石坝产生形态各异的裂缝,大致可以分为以下几类。

变形裂缝。它是由于坝的不均匀沉降所引起的,是破坏坝体完整性的主要裂缝,危害性较大。根据裂缝的走向和位置,又分为3种:一是纵向裂缝。缝的走向与坝轴线平行,主要出现在坝顶,有时出现于坝坡或坝体内部。这是由于坝体或坝基各部位沿横向的不均匀沉降所引起的。二是横向裂缝。裂缝的走向与坝轴线垂直,这是由于坝体沿坝轴线方向不均匀沉降所引起的,多出现于坝体或岸坡接头处。三是水平裂缝。水平裂缝多出现在较薄的心墙坝中。

干缩和冻融裂缝。它是黏土表面由于失水和冻融而产生的裂缝,呈龟裂状,纵横交错,但深度不大,一般从几厘米到1m。缝宽常小于1cm,而且上宽下窄,在浅层处逐渐尖灭,所以这种裂缝一般对土坝的危害性不大。

滑坡裂缝。它是坝坡失稳以前产生的裂缝。它不是一般的变形缝,而是因滑移土体开始发生位移而出现的裂缝。这种缝多发生在滑坡顶部,在平面上是成形,方向大致与坝轴线平行。滑坡下部隆起处,也可能出现一些细小的裂缝,这种裂缝是滑坡的前兆。

水力甓裂缝。它是由于水压力所引起的水平或垂直裂缝,水力劈裂缝多发生在水库多次蓄水时,危害性很大。

（2）土石坝裂缝的控制

控制土石坝裂缝的途径,首先是要合理地计算坝体应力和压力的大少及分布,根据试验测定的土体强度特性,分析和估计坝体可能产生裂缝的危险部位、裂缝的性质以及裂缝的几何参数,据此采取相应的地基处理措施;合理地设计土石坝剖面和细部结构;选择适宜的土料并采用合理的设计参数;严格控制施工质量,明确

运行管理上的要求,并精心进行管理等。

土石坝一旦出现裂缝,应及时查明性状进行处理。如处理不当或不及时,常会造成坝的失事。国内外处理土石坝裂缝常采用挖除回填和灌浆的方法。

挖除回填。此法简单可行,比较彻底可靠,对纵向、横向裂缝均可使用。对于表面干缩或冻融裂缝,因深度不大可不必挖除,可用砂土填塞,再用低塑黏土封填

夯实,以防雨水渗入冲蚀。深度不大的裂缝可按干缩缝处理,也可挖除裂缝部位土体,回填稍高于最优含水率的土料,严格分层夯实,并采用洒水刨毛等措施,以保证

新老土体结合良好。

灌浆处理。当裂缝位于深部或延伸至深部时,常用黏土浆或黏土水泥浆处理。浅层缝可用自流式灌浆,深层缝应采用低压灌浆,以防产生水力劈裂。

当裂缝严重不能用上述方法处理时,可采用泥凝土或黏土防渗墙,从坝顶开始,直达基岩。对于滑坡裂缝,应采用反压盖重,加强排水及至放缓坝坡等措施。

三、土石坝的防渗

针对土石坝常规防渗技术存在的弊端，通过总结以往土石坝防渗技术经验和教训，经多次论证和研究，提出采用刚柔性相结合的新型防渗技术，即采用单管

高压旋喷防渗墙（或射水法防渗墙）和铺土工膜防渗相结合的新型防渗技术。主要特点：(1)适用不同类型的土石坝。新型防渗技术采用刚性和柔性相结合，施工时不放空水库，受坝体和坝基地质因素影响小，能适用于不同类型的土石坝；

(2)适应土石坝沉陷变形。新型防渗技术柔性材料施工时，即铺土工膜施工时，都留有一定的形变量，能适应土石坝坝体沉陷变形量大的特点，而刚性防渗多数用在坝基，一般不受变形的影响，因此新型防渗技术能适应土石坝变形大的特点；

(3)新型防渗技术防渗效果好。新型防渗技术应用新材料、新技术、新工艺，防渗效果好；(4)新型防渗新技术工艺可靠，施工速度快。新型防渗新技术刚性材料施工，由于采用新设备、新工艺，施工造孔比较稳定，喷射的砼防渗墙质量也都满足要求；(5)新型防渗技术造价低。新型防渗技术采用刚性和柔性材料相结合，集刚性和柔性优点于一身，因此工程造价较低。

大其开度，并可能发展形成较大的渗漏通道。即使不均匀变形的结果未产生裂缝，只引起某个面上压应力降低而小于库水压力也可能出现新的微裂缝，由水平劈裂而形成较大的裂缝。水力劈裂缝多发生于水库初次蓄水时，除粘土心墙外，在粘土斜墙、粘土铺盖或均质坝中都可能发生水力劈裂缝，有时向粘土防渗体内钻孔灌浆，在灌浆压力下也可能出现水力劈裂缝。2非滑坡性裂缝的处理土石坝一旦发生裂缝，应在及时查明其性状的基础上，采取有针对性的措施适时进行补救处理。对于均质坝或多种材料坝的防渗体中的深度较大的裂缝，特别是贯穿裂缝，则要慎重。2．1翻松压实一般表面干缩裂缝，可用砂土填塞，将表面缝口土料翻松并湿润，然后压实、密实、封堵缝口，对冻融裂缝也应按此方法处理，未加防冻保护层的必须设保护层。2．2开挖回填开挖回填是比较彻底可靠的方法，具体方法是沿缝灌入少量石灰水，以便沿缝下挖，开挖深度应大于0．3米，宽度以能够作业为准，边坡必须保护稳定，可挖成梯形断面，挖槽较深时，边坡可设台阶。但回填时应将台阶挖除，使回填土可整体性沉降，不产生暗缝，开挖完成后用原坝体土料分层夯实回填。2．3灌浆处理坝体灌浆分充填灌浆和劈裂灌浆两种，本文讨论的是充填灌浆。充填灌浆适用于当坝体裂缝部位较深或范围较广，对裂缝的性质和范围都要确定的局部隐患，采用开挖回填，不但工程量很大，还可能影响蓄水。为安全考虑，可采用灌浆处理，或裂缝上部开挖回填，下部较深的细小裂缝进行填灌浆处理。灌浆的材料及浆液的浓度要满足可灌性、(充

填满缝隙)固结后收缩小。一般多采用塑性指数在10左右的粉质壤土或黄土作为灌浆材料。为加速凝结或增加可灌性，减小体积收缩，还可加入少量掺入料，如低标号水泥、水玻璃等。灌浆压力应慎重对待，应使浆液充满裂缝即可，不要引起水力劈裂，可采取保持液面在一定高度靠浆液自重压入，也可施加低压，但要仔细及时观察灌浆情况，灌浆孔要采用套管固壁。3结语至于采用何种方法处理裂缝，有时不单单只考虑以上几种原因，还要对土石坝的种类、坝体竣工时间、施工质量、坝基情况等要有全面了解。以上分析了土石坝产生裂缝的原因及简单方法，但更主要的是如何防止裂缝的出现，或极早发现裂缝的出现(尤其是内部的出现)，这需要设计者、施工者和管理者的注意。特别是工程设计中，不仅需要考虑工程的强度和渗透性能，还应把防止和控制裂缝作为一个设计指标。

四、土石坝的加固

用劈裂灌浆防渗加固技术来改进坝体的稳定性，是堤坝加固领域的一种非常有效的加固方法，多年来该技术在中小型水库上坝防渗加固中得到广泛应用。本文针对土坝劈裂灌浆加固机理进行分析研究，并分析施工过程中注意事项。

（1 ）劈裂灌浆方法研究

堤坝劈裂灌浆技术是在总结了传统的堤坝灌浆技术的经验教训，分析了堤坝裂缝的成因以及泥浆劈裂堤坝规律的基础上提出来的。美国在1970年即采用灌浆的方法处理了希尔克里格坝，该坝建成后在心墙与山坡接头处出现漏水；英国60年代初期建成的巴尔德赫德坝，发现心墙裂缝后，60年代末期也采用灌浆的办法进行处理；还有西班牙的阿尔庞上坝、墨西哥的勒克萨坝都采用过灌浆的方法进行处理，当时由于人们的种种担心，致使这门技术未能得到发展。

我国解放初期在黄河大堤首次用钢钎探测隐患，然后进行灌浆，取得了较好的效果。而后在一些中小型水库上坝上进行充填式灌浆。到了70年代该技术开始用于处理一些大中型水库的坝体隐患。到了70年代后期，人们总结了充填灌浆的经验教训，分析了坝体裂缝成因和灌注泥浆劈裂坝体的规律，提出了土坝坝体劈裂灌浆理论。劈裂灌浆与充填式灌浆有本质的区别。坝体劈裂灌浆是从产生坝体隐患的原因入手，利用坝体小主应力的分布规律进行布孔，利用水力劈裂原理，施加一定的灌浆压力，有计划有控制地劈裂坝体，灌注适宜的泥浆，通过浆坝互压和坝体的湿陷固结等作用，使所有与浆脉连通的裂缝、洞穴、水平疏松层

等隐患得到充填挤压密实，形成竖直连续的浆体防渗帷幕。改善坝体内部的应力状态，改善坝体的渗透稳定性和变形稳定性。随着劈裂灌浆加固技术的推广应用，其理论研究也得到不断的发展。通过原型观测、室内试验、理论分析和工程总结对浆液劈裂坝体的规律、泥浆固结和坝体压密、浆坝互压以及坝体内部孔隙水压力和土压力的变化规律等方面获得初步成果。

劈裂灌浆技术不论在施工工艺还是在理论研究方面取得了不少进展。但是，山于该项技术的特殊性及加固对象的多样性，所以还有很多理论方面的问题没有解决。例如，灌浆轴线的布置，复灌时间的确定，浆液在坝体中的固结规律，灌浆对坝体应力应变的影响，灌浆效果及持久性问题等。劈裂灌浆的理论研究远远落后于实践需要，甚至制约了该项技术的进一步推广。

（2 ）土坝劈裂灌浆加固机理

土坝劈裂灌浆防渗加固机理是多方面的，首先是坝体内部应力的分布规律为劈裂灌浆提供了可能性，再就是灌浆过程中的泥浆的劈裂充填作用、浆坝互压作用、坝体湿陷固结作用、坝体内部应力调整作用等。

水力劈裂原理，指是在水压力作用下，使原物体产生裂缝或使原有裂缝扩大的过程。如果无限域中的圆孔受到均匀液体压力P，要计算介质中的应力，已有经典解答。如果介质初始应力为零，则当P＞σi就会被劈裂，其中σi为介质的抗拉强度。若果介质初始应力为σ，则当P≥σ+σi就会被劈裂，式中如果σ是拉应力，则P+σ≥σi就会被劈裂。

土坝坝体的应力分布规律，土坝具有梯形断面的条形建筑物，通过对土坝坝体的原形观测及有限元分析，坝体内部应力分布规律一般如下：在坝轴线附近，土坝的竖向应力σi略小于土柱的自重压力，土坝横剖面的水平应力σx，比竖向应力σy小，约等于(0.3-0.5)σy，(即侧压力系数为0.3-0.5)。土坝填筑质量愈差，则侧压力系数愈小，坝顶部一定高度σx:还会出现拉应力。土坝的纵剖面的水平应力为σz二介于σx和σy之间。一般情况，土坝坝体压应力符合σy>σz>σx的规律。根据土坝坝体的应力分布情况，利用水力劈裂原理，在坝轴线附近沿小主应力面布置灌浆孔。泥浆就容易沿这个平面将坝体劈开。

泥浆对坝体的劈裂充填作用。由于劈裂灌浆是以浆液为能量载体，高压泥浆对坝体有很大的充填作用。泥浆充填坝体内部被劈开的灌浆通道，以及与通道

相连的各种原有裂缝、洞穴等，充填作用与劈裂灌浆作用是同时进行的。随灌、随劈、随充填，达到缝开、浆到、料满。随着复灌次数的增加，泥浆多次充填挤压，使原坝体得到挤压、密实，与浆体帷幕一起形成较高的防渗能力，因而达到充填坝体隐患和构造防渗帷幕的目的。

湿陷作用。泥浆灌进坝体，其中大量水分随之进入坝体。水除了产生孔隙水压力和对土的性质产生影响外，还对坝体产生湿陷作用。湿陷作用的大小与土坝质量和土料性质有关。湿陷作用对坝体是有利的，可以增加坝体的密实度和变形的稳定性，减少弱应力区范围。停灌以后湿陷作用逐渐变缓，每次复灌都有湿陷，但湿陷率越来越小。湿陷使坝高有所降低，坝体体积缩小，在坝顶出现变形裂缝。这些裂缝经过多次复灌后都会被泥浆充填。

2.5 能量的调整和转换。根据物体能量的转换和传递规律，提出了土坝的裂缝破坏是由于坝体内部的变形和能量积累转换造成的。要根除这种隐患，就必须使坝体内部分土体所积累的应变能充分释放。劈裂灌浆就是通过灌浆压力和土体湿陷变形，使原有的土体裂缝充分开裂，使己出现的弱应力区和强应力区之间的应力应变能相互传递转换，打破原坝体内部应力的不平衡，恢复正常的应力状态，使坝体内部的应力应变相对稳定。

浆坝互压理论。土坝劈裂灌浆技术利用了上坝坝体的整体弹性特征，在灌浆过程中随着灌浆压力的反复增长和消失，具有弹性的坝体张开和回弹，使坝体和浆体反复挤压，形成连续的浆体帷幕和两侧压密的坝体联合防渗带。通过浆坝互压，可以补救原坝体由于不均匀变形产生的小主应力不足，改变坝体内部的应力不平衡状态，从而比较彻底地解决了土坝坝体的变形稳定和渗透稳定问题。

泥浆和坝体的固结和压密。劈裂灌浆加固坝体的主要作用是利用泥浆在坝体中固结硬化后形成的帷幕进行防渗。因此泥浆在坝体内能否固结硬化，就成为土坝劈裂灌浆中最关键的问题。影响浆液固结的因素是十分复杂的，浆液固结速率和效果不但与坝体土质、施工质量、坝体应力状态、浆体土料性质、浆体厚度等因素有关，而且还受坝前水位、施工工艺的影响。

运用流固耦合分析方法进行模拟，用劈裂灌浆防渗加固技术来改进坝体的稳定性，是堤坝加固领域的一种非常有效的加固方法，多年来该技术在中小型水库

土坝防渗加固中得到广泛应用。本文通过水库土坝防渗加固机理分析，为进一步开展劈裂灌浆防渗加固技术提供理论支持与保证。

土石坝对于我们国家的水利事业有着举足轻重的地位，我们应该不断研究，使土石坝设计继续向前发展。

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