土坝坝基防渗导渗措施

2012-08-15乔新颖河南省水利勘测有限公司

河南水利与南水北调 2012年10期

□乔新颖（河南省水利勘测有限公司）

□辛贺艳（河南省水利第一工程局）

1.引言

土坝是一种历史悠久、修建众多的坝型，作为壅水建筑物，要使其能在压力水头下有效的工作，对于坝基来说，必须有适当的防渗导渗措施，也就是减少或截断坝基的渗失水量，防止坝基发生管涌、流土、接触渗透破坏，降低坝体浸润线以及防止下游沼泽化等等，这些措施，习惯上统称之为渗流控制。

2.坝基防渗导渗措施

渗流控制方法，可以简单地总结为“上阻下排”。阻就是用防渗措施不让或少让渗流经过坝基；排就是用导渗措施使已进入坝基的渗流，安全排走。防渗措施有水平防渗和垂直防渗两种。一般说来，对于地基透水层较厚、渗透稳定性较好的坝基，土坝壅水不高，用铺盖（水平）防渗来减少渗流，往往是比较经济的；如果地基透水层较浅，坝比较高，则用垂直防渗，如截水槽，可以较为彻底的截断流渗；20世纪60年代以后，我国较多地使用了新的地下防渗结构，即混凝土防渗墙或灌浆帷幕。导渗措施有水平排水垫层、滤水坝趾与排水沟和减压井等。

2.1 铺盖防渗

铺盖是水平防渗措施，一般地说可以防止坝基土的渗透变形，但只能减少渗流，不能杜绝渗失水量，因此是不彻底的。其主要优点是施工简单，无需降低地下水位，可以抢工，造价低，易于土法施工。

铺盖所需长度和厚度取决于填筑铺盖土料的透水性、透水性坝基的分层情况、厚度以及土坝所拦蓄的水头。铺盖最好用粘土填筑，因其透水性很小，又比较地能抗冲蚀，铺盖应保证其整体性，施工过程中，对已建成铺盖要加保护层，如铺盖下有卵石集中之处，应设垫层，以免蓄水后铺盖被压破，产生裂缝、穿孔。同时，还应注意，由于上游围堰挡水，如围堰筑于铺盖之上，在铺盖底面是否会形成承压水，能否把铺盖顶穿，必要时应事先验算并作好排水措施。

此外，据试验观测结果，铺盖厚度内的水力比降是变化的，上层很缓，底部急剧增大，铺盖破坏，往往由下而上发展穿孔。

2.2 截水槽防渗

截水槽防渗比较彻底可靠。这个措施不能开挖太深，太深则工程量大，排水费用多，施工时间长，需要较大的投资，并延迟水库发挥效益。

截水槽要求嵌入基岩或不透水层，一般不少于0.5m，所有强风化岩面均须清除干净，这是由于用不透水土料回填辗压压实的截水槽，切断了透水坝基，几乎全部水头差集中在槽底附近的基岩中，截水槽底后部有很大的逸出比降，会把风化碎屑携入透水层，形成机械冲刷。截水槽一般为梯形断面，其顶部宽，与塑心墙、斜墙相接；其底部窄，与不透水基岩相接，一般≥1/10水头。

截水槽一般是截断透水坝基，回填与心墙相同的粘性土，分层辗压压实，但亦有仅截断部分透水坝基的，称部分截水槽，一般多用于覆盖层较深的多层土质坝基。

2.3 灌浆帷幕

这个方法有局限性，受坝基土的可灌性限制(被灌地层内土中＜15%含量的最大颗粒直径与灌浆材料中＜85%含量的最大颗粒直径之比值,称“可灌比”)。帷幕厚度一般系数根据灌浆试验后的渗透稳定性来确定，其孔距、排距亦根据试验来定。

沙砾地基的可灌性取决于“可灌比”，渗透系数及＜0.1mm的颗粒含量等指标，一般的初步认为：地层中＜0.1mm的颗粒含量不超过5%，可灌比＞10，渗透系数超过40～50m/d时，可灌粘土水泥浆；地层中＜0.1mm的颗粒含量不超过5%，可灌比＞15，渗透系数超过60～80m/d时，可灌水泥浆。

2.4 混凝土防渗墙

这种地下防渗新技术，河南省在高73.5m的南谷洞堆石坝坝基上采用，效果很好。

南谷洞坝址为大块的石英沙岩峡谷，河床沉积层为沙卵石夹漂砾层，层厚，结构松散，级配差，透水性强烈。用铺盖防渗，土缺，水头大，透水层深，渗失水量多；用截水槽，排水困难，既不经济，亦不现实；用灌浆帷幕，需用水泥多。比较结果以混凝土防渗墙造价最少，施工比较简单，可以有较好的防渗效果，因此，最后采用就地浇注混凝土防渗墙办法。该混凝土防渗墙墙壁底嵌入基岩0.5m，嵌入两侧岩壁0.8m。为了加强与岩壁结合，堵塞裂隙节理缝，在防渗墙两侧岩壁上钻孔，灌入水泥浆。该坝防渗墙以粘土铺盖与其斜墙相接，混凝土防渗墙伸入铺盖内4.2m，接触渗径9.4m，为正常设计水头1/6，一般混凝土渗墙在墙顶一定范围内，要求用高塑性土料填筑，以适应墙顶填土较大的塑性变形，特别是混凝土防渗墙与心墙土相结，由于墙顶上荷载很大，混凝土比其四周心墙土的压缩性小得多，墙顶会有很高的压应力集中，而其附近则压应力解除，这样便产生拉力和裂缝区，所以在墙顶需改用高塑性土料填筑。

2.5 水平排水垫层

这类排水措施，作用有2种：一种是降低坝体浸润线，防止均质坝背水坡饱和脱坡；一种是提供排水盖重，防止透水坝基管涌。

对于均质土坝，如无排水措施，浸润线将交背水坡面于约1/3坝高处，造成背水坡上出逸、渗水，从而使其饱和，产生脱坡现象，采用水平排水垫层，即能有效的降低浸润线；此外，在不透水软土坝基上，由于筑坝过程中，坝重增加，便于坝基土层的排水固结，亦增加坝的稳定，这种排水垫层，设于下游坝体的后半部内，其长度主要取决于设计者的经验和判断，由于坝体土料实际上并非完全均质，对于其渗透性而言，由于分层辗压，往往水平渗透系数KH比垂直渗透系数KV大，这影响降低浸润线程度。

对于均质的透水坝基，如无截水槽、防渗墙等截断渗水的地下防渗结构，坝趾处渗水压力若大于水中沙砾的有效重量时，土沸（两者相等时的临界状态）即可转变为渗流挟沙溢出圆锥体，冲刷将沿流线向上游发展，而形成管涌，采用水平排水垫层，即借其盖重来平衡此过高的渗水压力，借其滤层来防止颗粒因渗流而走动。

2.6 滤水坝趾与排水沟

坝趾处的一般排水设备，全省常用棱体滤水坝趾和卧式滤水坝趾两种，后者也叫贴坡排水。棱体滤水坝趾也叫坝趾堆石，可降低坝体浸润线，保护坝趾免受尾水风浪淘刷及冰冻影响，当坝基土强度较大时，对坝体还有支撑作用，是一种比较好的排水设备，但体积较大，用块石多，施工时有些干扰；卧式滤水坝趾不能降低浸润线，只可以防止坝坡土壤发生渗透破坏和尾水浪淘，其主要优点是体积较小，用石料少，施工方便，易于检修。

排水沟还有一种作用，即坝趾处基础渗流如有剩余水头时，作为排渗减压措施，一般坝基（未作截水槽防渗者）如为均质透水层，此排水沟伸入坝基深度不过1～1.5m，如果坝基为双层地基，其表层弱透水层较薄，则将排水沟放在透水层上，挖穿其上层弱透水部分，引走渗流，可降低剩余水头，但如透水层较深，这种排水沟，仅能引走一小部分渗流，剩余的渗流将绕过排水沟，其作用只是局部的，作为导渗减压的控制渗流措施，就不适宜了。

2.7 减压井

这种导渗减压措施主要目的是降低坝趾剩余渗水压力，以解决已发生的沙沸和坝后沼泽化，来防止坝基因内部冲刷可能发生的管涌失事。

减压井的设计，除了确定井口水位高程外，主要在于决定井距、井深和井径3个参数，井口高程愈低愈好，但要结合排水沟挖方量进行经济比较，井口应高于井下水沟中的水位，防止不出水时泥水倒灌，造成淤积。减压井井管径，不宜太小，太小则沿程摩擦水头损失较大；不宜过大，过大则不经济，一般采用15～30cm。覆盖层和透水层不深时，减压井最好为完整井，井底贯入到基岩。井深如较浅，井距必过小，则井多，造价不经济；井如很深，则井少，井距必很大，造孔困难，每眼井负担较重，遇有淤积，降压效能损失和影响也大。