土石坝设计施工技术研究与应用

李院生

(玉溪市水利工程建设运行管理中心，云南 玉溪 653100)

云南省玉溪市地处滇中腹地，地形以山区为主，已建成中型水库17座，小一型水库115座，小二型水库803座，小坝塘1530座，其中土石坝占98%[1]。土石坝是我市水库建设的首选坝型，其原因是土石坝与其他坝型相比有以下优势：①坝位选择对地形、地质条件要求低；②能最大限度的利当地材料，包括开挖过程中的弃料和库区土料；③造价经济指标比其他坝型相对较低；④上坝强度可以人为控制，工期保障率高；⑤施工工艺简单，技术成熟，现场质量检测简单直观，质量容易控制[2]。

作为基层水利工作者，土石坝技术是必须要掌握的专业技术之一。本人一直从事土石坝的设计、施工和建设管理，工作中对土石坝技术上的创新进行了研究和探讨，形成了一些研究成果，现撰写成文，以供基层的同行参考。

1 实测水下地形图为可研报告的重点之一

从玉溪实施的除险加固工程情况来看，2017年前，设计单位基本都没测水下地形图，因此施工时放空水库后实际淤积高程与设计淤积高程相差较大，普遍是设计估算的淤积高程低于实际淤积高程，最后只有在隧洞(涵洞)进口设置“烟筒觜”抬高进口高程，既浪费了投资，又给今后隧洞堵塞后的抢险增加了难度[3]。淤积高程不准，会直接影响整个工程的设计方案，严重的可能会导致方案失败，给国家造成经济损失。随着高科技的应用和普及，特别是PTK的普及，大大的提高了测量精度，大幅度降低了测量成本和测量难度。目前，采集水下地形点数据主要是采用RTK和声纳测深仪来完成，地形成图采用CASS成图软件[4]，测量一个中型水库的水下地形图只需要花费2～3万元，在勘察设计费中占比很小。从2018年开始，我市要求小2型以上水库的除险加固设计，必须实测水下地形图，并将实测水下地形图列为可研报告审查的重点之一。

2 勘察、试验和计算成果不是唯一依据

土石坝的坝体、基础属于岩土中的非均质弹性塑性体，我们用软件计算基础承载力和坝坡稳定性时假设了很多边界条件，计算时选取的岩土物理力学指标是通过试验室验试得来，勘察资料也只是一孔之见，不能完全反应岩土的真实性能，以上因素决定了计算结果的局限性，有时计算结果只能用于验证某些经验[5]。目前，坝工技术是一门理论加经验的技艺，勘察、试验和计算结果与操作者的能力和手段有直接关系，准确性是相对的，其结论是决策的重要技术支撑依据之一。鉴于土石坝失事会给人民群众的生命财产带来无法挽回的损失，而且设计好的坝又不可能按1∶1的模型来验证计算成果的准确性，建议土石坝设计时将勘察、理论计算结果作为设计的重要依据，但不能作为唯一依据，需要结合地形、地质和筑坝材料具体分析，借鉴已建工程建设和运行中的经验教训，通过专家论证后才能最终确定大坝设计方案[6]。

工程案例1：易门岔河水库，中型，坝高60m，均质坝，1980年建成。2004年安全鉴定时，勘察和复勘的结果都是基础承载力不足，计算结果是大坝自身稳定都满足不了，内外坝坡都要培厚放缓，可是1∶1的模型摆在那里运行了多年，通过了无数次的高水位考验，大坝安然无恙，计算结果无法解释大坝的运行现状，最后通过专家研判，取消了培厚方案，只对大坝进行充填灌浆[7]。

工程案例2：元江章巴水库，中型，坝高65m，玉溪首座风化料粘土心墙坝。1991年建成，首次蓄水达三分之二时，坝顶轴线位置出现开裂，裂缝长度达50多米(坝项长250m)，裂缝宽度达5cm。出现裂缝后对坝坡的稳定性进行了反复演算，结果是安全系数满足规范要求，查阅施工资料，大坝碾压密实，施工质量没有问题。后来对大坝进行了钻探取样检查、稳定复核，结果都没有找到问题原因，最后的处理方案是采取增加外坝坡压脚平台，平台底宽30m，顶宽5m，高度20m，并对裂缝进行了回填灌浆处理，以后再没有出现过裂缝[8]。

3 土石坝设计施工关键技术研究与应用

3.1 正确理解和运用心墙防渗控制指标

SL 274—2001《碾压土石坝设计规范》规范中规定，均质坝防渗土料K≤1×10-4cm/s，心墙和斜墙K≤于1×10-5cm/s[9]，规范中K值指标是现场土料压实后，现场渗透试验要达到的防渗指标，而不是室内试验土料要达到的防渗指标，室内试验与现场试验相差1～2个数量级。设计阶段粘土心墙料K值的室内试验值须小于1×10-6cm/s，均质坝防渗土料K值的室内试验值须小于1×10-5cm/s；施工阶段粘土心墙现场碾压试验K值须小于1×10-5cm/s，均质坝现场碾压试验K值须小于1×10-4cm/s。大坝上部，水压力减小，粘土心墙K指标可以适当放宽，但不能大于3×10-5cm/s[10]。

3.2 心墙上游的反滤层可用过渡带代替

反滤层的作用主要用是滤土排水，防止心墙与坝壳的渗透系数超过1个数量级后，造成渗流出口处的渗透变形，渗透水将心墙土料带走，另外是坝壳与心墙在同一时间段内沉降量不一致时，利用反滤层的塑性消除或降低心墙沉降时产生的拱效应[11]。在实际工作中，风化料心墙坝的设计，通常是按照堆石坝的设计原理设计的，在心墙的上下游都设置1m宽砂料和1m宽的碎石作为的反滤层来保护心墙。我市的心墙坝绝大部份是风化料心墙坝，通过对近20年来新建的54件小(一)型水库大坝的沉降实测资料统计，坝高45～60m，沉降量为坝高的0.1%～0.3%。由此可以看出，经过重型机械碾压密实后的风化料心墙坝，心墙和坝壳的沉降量很小，由此得出，对中低土石坝，设计时心墙沉降产生的拱效应可以忽略不计。对于中低坝高的粘土心墙风化料坝，可以取消心墙上游的反虑层，设置K<1×10-4cm/s的全风化料过渡带，宽度不少于6m，同样可以达到保护心墙的目的。心墙下游浸润线以上高程，心墙的渗水很少，发生渗出口破坏的风险很小，反滤层可以用一层机制混合砂或天然河砂就可达到保护心墙的目的，而且砂的含泥量可以适当放宽。以上的优化措施，可以降低工程造价和简化施工工艺，而且能够保证工程质量。

3.3 特殊地形条件下心墙截槽的设计与施工

心墙截槽的主要作用：一是延长水的渗径，降低渗透坡降；二是使心墙直接与基岩结触，避免接触带漏水。以下三种特殊地形难于开挖成常规截槽形状，为了避免投入太多的费用去开挖截槽，可以根据实际地形采取相应工程方案，仍然可以达到了降低渗透坡降的目的。

(1)河床基础截槽时，如果基础基岩比较完整，就不必再往下开挖截水槽，继续挖往往会破坏基岩的完整性，另外截水槽回填时无法用重型机械碾压，人工夯实密实度往往达不到最佳密实度，可以采取增加心墙底宽来达到延长渗径的目的。同样的道理，常规的混凝土齿墙也没有必要设置。

(2)截槽位置地形是凸出的山脊时，可采取环包山脊的形式来达到延长接触部位渗径的目的，环包长度不小于心墙宽度的1.5倍[12]。

(3)当坝轴线与河床轴线不基本正交时，要满足开挖的截槽成槽状和截槽纵断底板开挖线与坝轴线水平正交两个条件，开挖量会很大，为了节约投资，两岸截槽只要开挖到完整基岩，自然形成槽状就行，没有必要要求截槽纵断底板开挖线与坝轴线水平正交[13]。

工程案例分析。华宁矣则河水库大坝，1992年建成，最大坝高59m，坝轴线长272m，坝顶宽6m，总库容754万m3，大坝回填方量为52万m3，坝型为粘土心墙风化料坝，坝址地形为U型。现将该工程技术上的创新分析总结如下：

(1)心墙土料为坝址右岸残坡积层，实验室K值范围为2.8×10-8cm/s～4.2×10-7cm/s，施工现场化验资料K值范围统计结果为3.88×10-6cm/s～2.93×10-5cm/s，其中：K值大于1×10-5cm/s的是正常蓄水位以上心墙的化验值，这部分土料含砾较高。从上面的统计资料看出，K值室内试验与现场化验相差1～2年数量级。

(2)原设计在心墙上下游分别设置了2层反滤层，一层细砂，一层碎石，含泥量要求小于3%。砂和碎石都要到20km以外去购买，到工地价为每方45元，总方量约23000m3，合计费用104万元，占大坝费用的15%，为了节约投资，经过充分论证后，取消了上游的反滤层，改为设置6m宽的全强风化混合料过度带，施工现场化验资料K值范围统计结果为2.1×10-5cm/s～9.2×10-5cm/s，满足小于1×10-4cm/s的要求。下游浸润以上5m的反滤层由二层改为一层，采用天然级配的河砂，含泥量控制指标为小于6%。设计优化后节约了近一半的费用。

(3)大坝基础截槽设计时设置截水槽和混凝土齿墙，截水槽位于轴线位置，断面为长10m，上口宽4m，下口宽2m，深3m，基础开挖揭露后基岩比较完整，当时考虑，要开挖截水槽需要进行爆破，爆破后往往会破坏基岩的完整性，另外，截水槽回填时重型碾压机械用不上，只能用人工夯实，压实度往往达不到防渗要求，而且工期要推迟15天左右，留给抢度汛坝体的时间可能不够，后经论证，取消了截水槽和混凝土齿墙，采取加宽心墙底部宽度来达到延长渗径的目的，底宽宽度为原设计的1.5倍。

(4)大坝左岸中部截槽位置有10m高的一段，地形是一个凸出的山脊，岩层较为完整，要人工开挖成槽状(当时没有挖机)，工程量很大，当时在抢度汛坝体，要开挖成槽工期也不允许，后经论证，采取将山脊开挖到基岩，不挖截槽，用粘土把整个山脊环包山起来，来达到延长接触部位渗径的目的，环包长度为心墙宽度的1.5倍。

(5)右岸坡距坝顶20m这段，轴线位置地形为一偏坡，要按设计开挖线开挖截槽，并满足截槽纵断底板开挖线与坝轴线水平正交，靠上游的截槽边坡开挖深度为4～6m(基岩下3～4.5m)，靠下游的截槽边坡开挖深度为1～1.5m(已达到基岩)，如果按设计开挖，开挖量较大，后经论证，两岸截槽只要求底板开挖到完整基岩，截槽纵断面上下游都只开挖1～1.5m，形成槽状就行，没有要求截槽纵断底板开挖线与坝轴线水平正交[14]。

矣则河水库2016年进行了安全鉴定，鉴定结论为：大坝质量较好，坝脚渗水在设计范围内，坝顶沉降量较小，经过20多年的安全运行，多次的高水位洪水考验，未发现坝体渗水及坝坡塌陷变形现象，大坝能够安全运行，不需要险险加固。截止2018年，我市进行了安全鉴定的小一型以上水库共105件，矣则河水库是唯一件不需要除险加固，能够正常运行的水库[15]。

4 结语

作为一名坝工技术人员，首先要有扎实的理论基础知识，并对土石坝的结构和各部分的功能有较深的理解，灵活运用规范解决实际问题。我们处在一个科学技术快速发展的时代，一个鼓励创新的时代，要树立创新意识，将创新作为解决疑难问题的重要工具。本文所述技术创新成果在玉溪得到了广泛的应用，为工程建设节约了投资。这些实用技术对基层的年轻工程技术人员正确理解土石坝理论和处理土石坝建设过程中的特殊问题有一定的借鉴作用。