关于土石坝坝基处理评价的几个问题

2016-06-15任梦宁濮声荣李祖仁吕兴民

地下水 2016年1期

关键词：土石坝

任梦宁，濮声荣，李祖仁，吕兴民

(机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043)

关于土石坝坝基处理评价的几个问题

任梦宁，濮声荣，李祖仁，吕兴民

(机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043)

[摘要]通过工程勘察实例，探讨了土石坝坝基土层的密实度标准、坝基岸坡处理标准、水平层状岩石岸坡防渗处理应注意的问题，以及土石坝坝基处理值得商榷的意见。其中，在土石坝坝基土层的密实度标准评价中，对土层的密实度指标的要求并不明确具体，就评价土层沉降量值时，采用土层的压缩系数比采用相对密度的物理量意义更明确，但规范对土层的压缩性指标没有明确要求；在坝基岸坡处理标准中，依据碾压式土石坝设计规范规定的原则是对的，且具有实际意义。但就勘察评价而言，如何具体量化操作值得讨论。

[关键词]土石坝；坝基密实度；坝基防渗；商榷

土石坝对坝基的要求一般比较宽松，能修重力坝、拱坝的坝址一般能修土石坝。但土石坝也有它自身的特点和要求，就其勘察设计水平而言，不比其他坝型低。

碾压式土石坝设计规范(SL274-2001)6.1.1要求[1]：坝基(包括坝头)处理应满足渗流控制(包括渗透稳定和控制渗流量)、静力和动力稳定、允许沉降量和不均匀沉降量等方面的要求，保证坝的安全运行。

在实际勘察时，现有的规程规范评价上述规定还存在不少困难，就作者碰到的几个问题提出来与大家讨论。

1坝基土层的密实度标准

在评价坝基土层稳定和沉降量时，对土层的密实度指标的要求并不明确具体。当有抗震要求时，评价砂基液化[2]，根据场地地震烈度大小，对土层的相对密度(D)有相应的要求，如地震烈度为8、9度时，则要求坝基土层的相对密度(D)达到0.75、0.85。若没有抗震要求，对土层密实度如何评价，没有相应要求。

规范规定[1]：“处理的标准与要求应根据具体情况在设计中确定。竣工后的坝顶沉降量不宜大于坝高的1%。对于特殊土的坝基，允许总沉降量视具体情况确定。”

在这里对坝基土层的密实度似乎有一个量化指标，但仔细一想，它还是一个不定值，沉降与坝高(附加应力)有一定的关系，即高坝允许土层有较大的沉降。就评价土层沉降量值时，采用土层的压缩系数比采用相对密度的物理量意义更明确，但规范对土层的压缩性指标没有明确要求。下面举两个实例。

陕北横山县有个王圪堵水库[3]，就是一个很好的例证。该水库位于无定河中游，以供水、拦沙为主，总库容3.89亿 m3，均质土坝，最大坝高46 m，坝长1 162 m。工程区位于鄂尔多斯盆地中心，区域构造稳定，地震基本烈度小于6度，地震动峰值加速度α=0.039 g。坝基地层为侏罗系砂泥岩互层结构，近水平层状分布，断裂不发育。河床分布细砂层，厚8～13 m，平均干密度1.58 g/cm3，相对密度D为0.44～0.73，压缩系数α1-2=0.1 Mpa-1，压缩模量E1-2=27.63 Mpa，饱和慢剪φ=31.3°，J允=0.14，渗透系数K=3.35×10-2cm/s，该砂层属中密，低压缩性，较强透水层。设计对河床细砂层进行混凝土防渗墙防渗，墙厚0.8 m，嵌入基岩深度不小于2 m，基本截断强风化岩石。

设计对细砂层要进行振冲压密处理，理由是砂层相对密度D达不到0.7～0.8。项建、可研审查都同意对其处理。省发改委初设审查邀请多位水利专家参加，其中有专家认为不必进行处理。理由是：(1)本区地震烈度低，可不考虑砂基液化问题；(2)砂层较密实，压缩系数小，为低压密土，采用相对密度D=0.7～0.8，根据不足；(3)大坝为均质土坝，且不高，砂层较均质，厚度较均一，能适应较大变形；(4)对砂层已做混凝土防渗墙，只需在坝脚部位做好反滤防渗，即可保证砂层的渗透稳定，从而能保证大坝稳定。

专家组经讨论后，同意该意见，对砂层未进行振冲处理。施工时，仅对表层2～3 m松散及含腐殖质予以清除，采取施工降水后用40t振动碾碾压压实。该大坝已建成蓄水近三年，经监测大坝变形及渗漏正常。

另一例为新疆下坂地水库的坝基勘察评价[4]。下坂地水库库容8.67亿 m3，大坝为沥青混凝土心墙砂砾石坝，坝高78 m，电站装机150 MW。该工程地质条件复杂，位于帕米尔高原，地质构造复杂，地震基本烈度为8度(设防烈度9度)，坝肩两岸边坡高500～800 m，河床覆盖层厚150 m，为Q4～Q3堆积层，成因、岩性复杂，如下图1、表1。

河床松散堆积层既有冰碛、冰水堆积、崩积层，还有由堰塞湖形成的湖积淤泥软土、砂层，河床表部还有冲积洪积砂砾石层。深厚覆盖层最主要的问题是渗漏及渗透稳定问题，故大坝采取了上为垂直防渗墙(深85 m)，下接4排灌浆孔的防渗帷幕(图2)。

对表部松散岩层设计采取振冲加密处理，由于堆积层夹有崩积的大块石而振冲不下去。根据补充勘探试验工作，堆积层的密实度和力学特性差异甚大，砂砾石层的相对密度一般为0.5～0.7，最小仅0.27。最后决定对全部淤泥软土、粉细砂层及7m内的过于松散的砂砾石层予以挖除，对下部砂砾石层(D≈0.5～0.7)再不作处理。

对这种放宽处理标准的决定，是考虑该坝型特征：该坝为沥青混凝土心墙砂砾石坝，可以允许坝基砂砾石层有较大压缩变形而不危及大坝稳定和破坏防渗结构(心墙)。该大坝已建成，高水位运行已4年，监测大坝变形正常。

表1　坝基第四系地层渗透系数成果汇总表

图1　坝基各类型覆盖层分层示意剖面图

图2　防渗设计图

2坝基岸坡处理标准

碾压式土石坝设计规范, 7.1.1规定[1]：坝体与坝基及岸坡的连接必须要妥善设计和处理。连接面不应发生水力劈裂和邻近接触面岩石大量漏水，不得形成影响坝体稳定的软弱层面，不应由于岸坡形状或坡度不当引起不均匀沉降而导致坝体裂缝(应符合反滤要求，如不符合应设置反滤层)。在7.1.4规定：与土质防渗体连接的岸坡的开挖应符合：岩石岸坡不宜陡于1:0.5，土质岸坡不宜陡于1:1.5。

上述两条规定的原则是对的，且具有实际意义。但就勘察评价而言，如何具体量化操作值得讨论。

陕西浠河水库大坝为高30 m的均质土坝，1963年3月发生垮坝事件，作者第二天奉命到现场调查，垮坝原因有二：黄土岸坡呈直立状，未削坡，黄土垂直节理和岸坡卸荷裂隙发育，可以见到渗水在裂隙中射出，挑距达二三十厘米；坝体沿岸坡冲出一个大洞，坝体土层松软，碾压不实。因此渗漏沿岸坡接触带发生接触冲刷、流土而导致垮坝。

在六十年代，作者常常听到这样的话：“十坝九裂”，“哪有土坝不发生裂缝的？！”认为土坝发生裂缝是正常现象，作者不敢苟同。坝体出现裂缝是坝体沉降量过大或不均匀沉降所致，而此除坝体本身原因外，与坝基没有很好处理，主要还与岸坡过陡和坝体与岸坡接触部位碾压不实有关。就作者调查了解的情况，当岸坡陡于1:1，特别是岩质岸坡，在两坝肩部位易发生横向裂缝，有时会贯通坝体上下游。如陕西冯家山、石堡川、段家峡、王瑶、红庄水库等由于岩质岸坡过陡而在施工过程中和竣工后，坝体发生多处裂缝。

修订规范把岩质岸坡由原规范的1:0.7提高至1:0.5，论据不充分。在条文说明中列举了国内外25座坝的岸坡资料，其中中国4个：小浪底为1:0.74，石头河为1:0.75～1:1，碧口为1:0.75(局部为1:0.5)，密云白河主坝右岸为1:0.75，左岸为1:0.5。国外的岸坡一般较陡，但也有几座坝的岸坡为1:1左右。

应该指出，这些岸坡都是心墙防渗体与岸坡的结合坡比，而不是均质土坝与岸坡结合的坡比。其次，很多防渗体用的是砾(碎)石土，有较高的变形适应性和强度，而黄土一般不耐冲刷，且塑性偏低，适应变形能力较差，易发生裂缝。所以，以黄土作为坝料筑成的均质土坝，其岸坡陡于1:1是不合适的。相反，规范规定土质岸坡坡比为1:1.5，有点过缓，致使岸坡处理工程量过大，没有必要。因土坡与坝体土层性质相近，不像岩石与土层的强度差异那么大，因而土质边坡坡比为1:1是合适的。

3水平层状岩石岸坡防渗问题

在陕西延安、榆林地区，由于区域构造稳定，地层常呈水平层状结构分布，且往往呈砂页(泥)岩互层状。砂岩孔隙率高，其间常发于X状高角度张裂隙，成为中、强透水层，需做防渗处理；而页(泥)岩质软，弱透水，未风化时可视为相对隔水层。当这套地层分布于水库大坝两岸时，常沿砂岩形成绕坝渗漏；当库岸形成单薄分水岭时，会发生邻谷渗漏。

这种渗漏常表现如下几个特点：(1)渗径较长，渗漏延伸较远；(2)沿层间渗漏，渗流多表现承压性质；(3)渗流对坝体土层具冲刷性，沿岸坡接触带易发生流土，造成坝体渗流出逸点高；(4)如发生邻谷渗漏，表现渗漏的多层性，常导致邻谷边坡的不稳定；(5)处理不易。

由于岸坡(单薄分水岭)地段风化卸荷作用强烈，沿岸坡高角度裂隙发育，岩体渗漏性强，而与水平状砂岩强透水层相联，构成良好的渗漏通道，这两者又与水库互相勾通，从而造成绕坝渗漏和邻谷渗漏严重，并危及大坝安全。

红庄水库[5]土坝高50 m，坝基为侏罗系砂泥岩，岩石近水平状，左岸为一单薄山梁。大坝建成即开始蓄水半库(水深30 m)，发生坝基渗漏，绕坝渗漏和左岸邻谷渗漏。坝后渗径较长，岸坡及坝坡渗流出逸点较高，成多层多点渗出，流量较大。在左岸分水岭另一边，也成多层多点渗出，致使边坡发生浅层滑动，边坡坡脚居民房屋出现渗漏点和浸没现象，房屋也发生变形，迫使居民搬迁。

发生渗漏后，水库主管部门就安排灌浆防渗处理，左坝肩的灌浆帷幕由一排增加为两排，孔距由2 m增密为1 m，有的地段甚至为0.5 m，但灌浆效果不好。究其原因，一是灌浆孔为90°直孔，穿透岩石中的垂直裂隙机率少，而岸坡未能很好削坡处理；二是水库已蓄水，且水位较高，但灌浆工艺还是按水灰比8:1、5:1进行灌注，施工是“包工不包料”，花钱很多，收效甚微。

主管部门邀请水利专家去现场了解到上述情况后，提出了如下意见：(1)首先由管理局直接管理施工队伍，严格按灌浆设计和施工规范施工；(2)改直孔为60°斜孔(斜向岸里)；(3)灌稳定浆液(浓浆)；(4)控制凝固时间，视必要加速凝剂；(5)在坝体与岸坡结合处与坝坡脚增做反滤体，以防渗透变形。经过近3个月的灌浆处理，效果显著，坝基和绕坝渗漏基本得到控制，但邻谷渗漏因防渗帷幕长度不足未能根本改善。

4值得商榷的意见

1)目前土石坝可以分为混凝土面板(堆石坝)砂砾石坝、心墙(或斜墙)堆石坝和均质土坝三大类。这三种坝型对坝基岩(土)层的要求是不同的，甚至同一坝型的不同部位对坝基要求可以不一样。规范对此并未有明确的界定和量化指标。例如，在没有地震设防(<7°)情况下，坝基土层如何评价？心墙堆石坝特别是沥青心墙堆石坝的坝基土层是否可以放宽到中密状态(D=0.33～0.66)，不一定按混凝土面板堆石坝上游坡(面板)坝基的要求(0.75～0.85)。

2)对岸坡的处理应严格遵守土石坝规范7.1.7的规定要求。特别是均质土坝，不论是岩质岸坡或是土质岸坡都应按≤1:1坡比进行处理，对土质边坡在验算天然状态下(施工期)1:1能稳定的情况下，没有必要削成1:1.5的缓坡。并应加强坝体与岸坡接触带的碾压强度，提高坝体密实度，减少沉降差，防止产生裂缝。

3)对于水平层状砂泥岩岸坡的防渗及防止渗漏对坝体的渗透变形，要做到如下几点：

(1)对岸坡要严格削坡，尽可能挖除强风化卸荷松动岩石，岸坡坡比要≤1:1；

(2)对削好的边坡进行砂浆喷护；

(3)与坡体接触带要铺设反滤层，在坝脚处做好反滤体。

(4)沿坝轴线往坝肩的防渗帷幕要有足够的长度，使绕坝渗流超过大坝下游坡脚，不影响坝体浸润线抬高。

(5)帷幕灌浆孔改直孔为斜孔(向岸里斜60°左右)，使灌浆孔能穿透更多的高角度裂隙，提高灌浆效果。

4)对均质土坝坝基土层的密实度评价指标，建议不用相对密度(D)改用压缩性指标(压缩系数、压缩模量)。