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摘要：土石坝是目前坝工建设中应用广泛，发展较快的一种坝型。本文结合实际工程，分析了水利水电工程土石壩的渗流，为土石坝施工提供参考。
关键词：水利水电 土石坝坝体填筑 施工技术
中图分类号： TV212 文献标识码： A 文章编号：
在土石坝设计中，常常采用倒悬挂式防渗墙来有效控制渗流量和减少下游出逸坡降。而防渗墙位置和厚度的确定直接影响到防渗墙的防渗效果，且对大坝安全和工程效益有着重要影响。本文通过对不同位置和不同厚度防渗墙的土石坝进行渗流计算，比较各方案下的渗透水头和渗流量，分析防渗墙位置和厚度变化对大坝渗流的影响，从而为工程设计提供参。
1.水利水电工程土石坝的基本特征土石坝是用土、砂、砂砾、石料等当地材料分层碾压而成的拦河坝。在国内外拦河坝中, 土石坝数量最多。随着土力学理论发展和土石坝工程经验的积累, 防渗土料已由粘土壤土等传统细料扩展到黄土、坡残积土、砾石土等, 随着大功率振动碾的问世, 坝壳石料的采用也由新鲜坚硬直至软岩, 以及基坑挖出石渣, 均可用振动碾压密实, 可避免早期面板堆石坝由于用抛填法填筑堆石料, 蓄水后在水压作用下堆石沉降,使面板破裂, 产生漏水事故。
2.合理设计铺土层厚, 加强下游反滤设计, 减少不均匀沉陷
坝体常出现不均匀沉陷裂缝, 产生集中渗流, 危及大坝安全。为防止这种险情发生, 通常采取的措施有:
(1) 将坝轴线布置成微拱向上游的圆弧形, 以求在水压力作用下增加坝体的纵向应力;
(2) 对坝体两岸进行开挖, 放缓边坡, 并尽量避免突变段;
(3) 设置上游斜墙代替心墙防渗;
(4) 优先选用塑性粘土料填筑心墙。在缺乏条件的情况下, 尽可能提高心墙下半部分土的干容重和上半部分土料的挠性, 以避免因承受较大的应力而开裂;
(5) 在心墙与岸坡结合面采用含水量较高的防渗土料或用塑性粘土填筑塑性带。
尽管采取以上措施, 但一方面由于近年来坝高不断增大, 建坝河谷更窄, 岸坡更陡, 坝体仍容易产生不均匀沉陷和裂缝。另一方面由于不重视铺土层厚, 使土石料随层高产生分离, 降低底部填筑密度, 导致坝体在运行过程中出现严重的不均匀沉陷。大量土石坝的运行情况表明: 只要坝内设有合乎规范规定的下游反滤层, 就可避免由集中渗流所引起的冲刷和破坏; 只要将全部土石料按薄层(0.8-2m) 用振动压实法填筑, 就能大大减少石料分离, 保证填筑密实度, 将沉陷量降为最小。因此, 不必再过分强调对两岸的岩基削坡, 且对在狭谷中修建高土石坝, 认为采用直线型坝轴线也是可取的。
3. 加强土石坝防渗设计分析①土石坝坝体及坝基、两岸坝肩的渗流控制应使渗径、渗流坡降、渗水流速及渗水量控制至小于允许值；② 坝体防渗措施主要是“前堵、中截、后排”,坝基为“前延、中截、后压排”；③土石坝长年挡水,已形成较稳定的渗流场,宜按最不利稳定渗流场设计；④防渗加固措施,应充分利用已有的防渗、反滤及排水措施,形成连续、完整的防渗体；⑤地质条件和工程复杂的病险土石坝,采用单一的技术措施往往难以奏效或不经济,宜采用综合防渗加固措施;⑥应有利于尽早释放渗透压力,以增加下游坝坡及地基静力稳定性。一般宜采用截断渗流的着底式防渗体。当采用完全截断渗流措施不经济时,采用的措施应有利于渗流分散,渗流坡降均匀;⑦采用的防渗措施应要求施工场地不大,最好能在一个枯水期,在一定水头情况下施工完成。
4. 加强土石坝与砼建筑物接触处的处理
过去设计要求砼建筑物要伸入到土石坝一定深度, 以增长渗径。基于这种考虑, 在土石坝内埋设的砼输水洞, 普遍要求沿洞外壁设置足够宽度的多道防渗截水环; 在与溢流道砼边墙接触处, 设置多道剌墙伸入坝体心墙内。但实践表明, 以上这些设置有碍心墙土料的压实, 使紧靠砼的填土料不能用大型重碾压实, 而需要大量的人工压实, 不仅进度慢,而且质量也难以保证。
近年来, 随着对土石坝下游反滤层安全可靠性的认识提高, 这些部位的结构处理可作如下改进:
(1) 坝内砼洞(管) 和溢洪道砼边墙接触处, 取消截水环和刺墙;
(2) 坝内输水洞(管) 的四周和溢洪道边墙接触处的下游段均做好反滤料, 即使沿管壁或接触处的砼与心墙的上游侧界面产生渗漏, 其渗水也会被下游侧的反滤料有效控制;
(3) 加强下游侧反滤料的设计, 精心施工, 以确保防渗效果。
5. 土石坝坝基防渗设计 土石坝经历了由低到高的发展过程，最早的土石坝是低水中的填石坝或者土坝，后来逐步发展成为土石结合的土石坝。在土石坝发展的过程中，坝基的防渗结构也跟着发生了变化，如果是中低的土石坝，常用的防渗形式为粘土铺盖，如果是高土石坝，一些工程仍然用的是水平防渗的方法。多年的土石坝建设工程实践证明，水平防渗的方法有着他的优点，比如施工作业面大、施工简单等，但是同时存在的缺陷也很多，工程量大，防渗效率低，效果不好等，因此水平防渗的方法不适合于中高土石坝。到目前为止，在世界绝大多数的高土石坝的工程设计中，都采用的垂直防渗的方法。垂直防渗法不仅应用在高土石坝汇中，在一些的临时性的围堰工程总也经常使用，可见此方法的可靠性，体现了坝基防渗技术的最大优势。
(1)土石坝坝基的水平防渗法。水平防渗法分为两种形式，一种是粘土铺盖，一种是土工膜铺盖。其中粘土铺盖的铺盖尺寸是依据渗径法拟设的，根据水层深度的变化，如果透水层的深度较浅，那么铺盖长度就要等于或者稍微大于透水层的深度，如果透水层比较深，那么铺盖长度就必须要是等于或者大于所承受锁头的三倍以上，同时要满足渗透量的要求。土石坝的渗流量必须要能够满足减少水量的损失，渗流梯度也要能够满足粘土填筑的渗流梯度。以此同时，粘土铺盖的下卧层内的渗流梯度绝对哦不能够超过其允许的渗流梯度。在渗流的出逸相互不能产生渗流破坏的现象，要保证渗流的稳定。在进行土工膜的铺盖时，铺盖长度最好能够与粘土铺盖的长度相似，根据厂家生产的土工布或者是土工膜的特性，铺盖的厚度也有着严格的要求，在实际的施工过程中一定要连接好，切勿产生漏水。
(2)土石坝坝基的垂直防渗法。土石坝坝基的垂直防渗法主要有帷幕灌浆、混凝土防渗墙，以及高喷板墙、深层搅拌墙等，当前我国使用最普遍的是帷幕灌浆，其施工相对简单，工程量相对较小，防渗效果也不错。混凝土防渗墙要求的技术水平相对较高，而且需要有专门的设备。据实践考证，垂直防渗的效率通常情况下每米的深度大致为水平防渗的两倍以上。
(3) 加强坝体排水
特别是面板坝, 在坝体适当部位增设排水层, 以排除来自面板、止水系统及帷幕等部位的局部缺陷所形成的少量渗水, 不致抬高坝体浸润线, 这对保证坝体稳定安全性起到了关键作用。
结论
随着大型高效机具的采用，坝体防渗结构和材料的改进，施工人数的大量减少，施工工期的进一步缩短以及施工费用的显著降低等，土石坝的发展前景极为广阔。土石坝不仅在当今国内外中低坝广泛采用，而且兴建的高土石坝也越来越多。土石坝的多重优越性以使其在当今的水利水电项目中站稳了脚跟，已被社会所公认。
参考文献
[1]李辉.水利水电工程中土石坝施工技术探讨[J].陕西水利，2011(1).
[2]孙锡衡，王仁超，唐建华.土石坝施工过程的计算机模拟[J].水利水电技术，1990(6).
[3]刘绍煊.水利水电工程施工要略[J].民营科技，2010(8).
[4]吴钊,赵小利,王谠.土石坝渗流初步探讨.水利天地.2009-02-15
关键词：水利水电 土石坝坝体填筑 施工技术
中图分类号： TV212 文献标识码： A 文章编号：
在土石坝设计中，常常采用倒悬挂式防渗墙来有效控制渗流量和减少下游出逸坡降。而防渗墙位置和厚度的确定直接影响到防渗墙的防渗效果，且对大坝安全和工程效益有着重要影响。本文通过对不同位置和不同厚度防渗墙的土石坝进行渗流计算，比较各方案下的渗透水头和渗流量，分析防渗墙位置和厚度变化对大坝渗流的影响，从而为工程设计提供参。
1.水利水电工程土石坝的基本特征土石坝是用土、砂、砂砾、石料等当地材料分层碾压而成的拦河坝。在国内外拦河坝中, 土石坝数量最多。随着土力学理论发展和土石坝工程经验的积累, 防渗土料已由粘土壤土等传统细料扩展到黄土、坡残积土、砾石土等, 随着大功率振动碾的问世, 坝壳石料的采用也由新鲜坚硬直至软岩, 以及基坑挖出石渣, 均可用振动碾压密实, 可避免早期面板堆石坝由于用抛填法填筑堆石料, 蓄水后在水压作用下堆石沉降,使面板破裂, 产生漏水事故。
2.合理设计铺土层厚, 加强下游反滤设计, 减少不均匀沉陷
坝体常出现不均匀沉陷裂缝, 产生集中渗流, 危及大坝安全。为防止这种险情发生, 通常采取的措施有:
(1) 将坝轴线布置成微拱向上游的圆弧形, 以求在水压力作用下增加坝体的纵向应力;
(2) 对坝体两岸进行开挖, 放缓边坡, 并尽量避免突变段;
(3) 设置上游斜墙代替心墙防渗;
(4) 优先选用塑性粘土料填筑心墙。在缺乏条件的情况下, 尽可能提高心墙下半部分土的干容重和上半部分土料的挠性, 以避免因承受较大的应力而开裂;
(5) 在心墙与岸坡结合面采用含水量较高的防渗土料或用塑性粘土填筑塑性带。
尽管采取以上措施, 但一方面由于近年来坝高不断增大, 建坝河谷更窄, 岸坡更陡, 坝体仍容易产生不均匀沉陷和裂缝。另一方面由于不重视铺土层厚, 使土石料随层高产生分离, 降低底部填筑密度, 导致坝体在运行过程中出现严重的不均匀沉陷。大量土石坝的运行情况表明: 只要坝内设有合乎规范规定的下游反滤层, 就可避免由集中渗流所引起的冲刷和破坏; 只要将全部土石料按薄层(0.8-2m) 用振动压实法填筑, 就能大大减少石料分离, 保证填筑密实度, 将沉陷量降为最小。因此, 不必再过分强调对两岸的岩基削坡, 且对在狭谷中修建高土石坝, 认为采用直线型坝轴线也是可取的。
3. 加强土石坝防渗设计分析①土石坝坝体及坝基、两岸坝肩的渗流控制应使渗径、渗流坡降、渗水流速及渗水量控制至小于允许值；② 坝体防渗措施主要是“前堵、中截、后排”,坝基为“前延、中截、后压排”；③土石坝长年挡水,已形成较稳定的渗流场,宜按最不利稳定渗流场设计；④防渗加固措施,应充分利用已有的防渗、反滤及排水措施,形成连续、完整的防渗体；⑤地质条件和工程复杂的病险土石坝,采用单一的技术措施往往难以奏效或不经济,宜采用综合防渗加固措施;⑥应有利于尽早释放渗透压力,以增加下游坝坡及地基静力稳定性。一般宜采用截断渗流的着底式防渗体。当采用完全截断渗流措施不经济时,采用的措施应有利于渗流分散,渗流坡降均匀;⑦采用的防渗措施应要求施工场地不大,最好能在一个枯水期,在一定水头情况下施工完成。
4. 加强土石坝与砼建筑物接触处的处理
过去设计要求砼建筑物要伸入到土石坝一定深度, 以增长渗径。基于这种考虑, 在土石坝内埋设的砼输水洞, 普遍要求沿洞外壁设置足够宽度的多道防渗截水环; 在与溢流道砼边墙接触处, 设置多道剌墙伸入坝体心墙内。但实践表明, 以上这些设置有碍心墙土料的压实, 使紧靠砼的填土料不能用大型重碾压实, 而需要大量的人工压实, 不仅进度慢,而且质量也难以保证。
近年来, 随着对土石坝下游反滤层安全可靠性的认识提高, 这些部位的结构处理可作如下改进:
(1) 坝内砼洞(管) 和溢洪道砼边墙接触处, 取消截水环和刺墙;
(2) 坝内输水洞(管) 的四周和溢洪道边墙接触处的下游段均做好反滤料, 即使沿管壁或接触处的砼与心墙的上游侧界面产生渗漏, 其渗水也会被下游侧的反滤料有效控制;
(3) 加强下游侧反滤料的设计, 精心施工, 以确保防渗效果。
5. 土石坝坝基防渗设计 土石坝经历了由低到高的发展过程，最早的土石坝是低水中的填石坝或者土坝，后来逐步发展成为土石结合的土石坝。在土石坝发展的过程中，坝基的防渗结构也跟着发生了变化，如果是中低的土石坝，常用的防渗形式为粘土铺盖，如果是高土石坝，一些工程仍然用的是水平防渗的方法。多年的土石坝建设工程实践证明，水平防渗的方法有着他的优点，比如施工作业面大、施工简单等，但是同时存在的缺陷也很多，工程量大，防渗效率低，效果不好等，因此水平防渗的方法不适合于中高土石坝。到目前为止，在世界绝大多数的高土石坝的工程设计中，都采用的垂直防渗的方法。垂直防渗法不仅应用在高土石坝汇中，在一些的临时性的围堰工程总也经常使用，可见此方法的可靠性，体现了坝基防渗技术的最大优势。
(1)土石坝坝基的水平防渗法。水平防渗法分为两种形式，一种是粘土铺盖，一种是土工膜铺盖。其中粘土铺盖的铺盖尺寸是依据渗径法拟设的，根据水层深度的变化，如果透水层的深度较浅，那么铺盖长度就要等于或者稍微大于透水层的深度，如果透水层比较深，那么铺盖长度就必须要是等于或者大于所承受锁头的三倍以上，同时要满足渗透量的要求。土石坝的渗流量必须要能够满足减少水量的损失，渗流梯度也要能够满足粘土填筑的渗流梯度。以此同时，粘土铺盖的下卧层内的渗流梯度绝对哦不能够超过其允许的渗流梯度。在渗流的出逸相互不能产生渗流破坏的现象，要保证渗流的稳定。在进行土工膜的铺盖时，铺盖长度最好能够与粘土铺盖的长度相似，根据厂家生产的土工布或者是土工膜的特性，铺盖的厚度也有着严格的要求，在实际的施工过程中一定要连接好，切勿产生漏水。
(2)土石坝坝基的垂直防渗法。土石坝坝基的垂直防渗法主要有帷幕灌浆、混凝土防渗墙，以及高喷板墙、深层搅拌墙等，当前我国使用最普遍的是帷幕灌浆，其施工相对简单，工程量相对较小，防渗效果也不错。混凝土防渗墙要求的技术水平相对较高，而且需要有专门的设备。据实践考证，垂直防渗的效率通常情况下每米的深度大致为水平防渗的两倍以上。
(3) 加强坝体排水
特别是面板坝, 在坝体适当部位增设排水层, 以排除来自面板、止水系统及帷幕等部位的局部缺陷所形成的少量渗水, 不致抬高坝体浸润线, 这对保证坝体稳定安全性起到了关键作用。
结论
随着大型高效机具的采用，坝体防渗结构和材料的改进，施工人数的大量减少，施工工期的进一步缩短以及施工费用的显著降低等，土石坝的发展前景极为广阔。土石坝不仅在当今国内外中低坝广泛采用，而且兴建的高土石坝也越来越多。土石坝的多重优越性以使其在当今的水利水电项目中站稳了脚跟，已被社会所公认。
参考文献
[1]李辉.水利水电工程中土石坝施工技术探讨[J].陕西水利，2011(1).
[2]孙锡衡，王仁超，唐建华.土石坝施工过程的计算机模拟[J].水利水电技术，1990(6).
[3]刘绍煊.水利水电工程施工要略[J].民营科技，2010(8).
[4]吴钊,赵小利,王谠.土石坝渗流初步探讨.水利天地.2009-02-15