土石坝施工问题探讨

 　[摘 要] 土石坝按施工方式可分为碾压式土石坝、水力冲填坝、水中倒土坝等3类。大容量、高效率的施工机械的发展，降低了建坝的造价，提高了土石坝的施工质量。 

　　[关键词] 土石坝 渗流 变形 坝坡 土基 

　　土石坝的特点是就地开采、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少运输费用，能适合各种不同的地形、地质和气候条件，有丰富的建造经验。碾压式土石坝是用机械将士料分层碾压密实，是应用最广泛的施工方法。水力冲填坝用水力机械开采运输和填筑土料而形成坝体。水中倒土坝是在坝址处修筑围埂形成水池，在静水中填土，使其自行崩解压密，逐步填筑升高坝体。后两种方法常在国内有的中小型土坝工程施工时采用。 

　　土石坝是目前世界坝工建设工程中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。与其他坝型相比较，无论从经济方面还是从施工方面，土石坝具有绝对的优势。土石坝的施工即是将材料经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝，故土石坝又称作当地材料坝。 

　　一、土石坝的设计原则及要求 

　　土石坝的设计原则及要求主要包括坝身不能泄洪(土石坝枢纽中应按洪水标准设置容量足够大的泄洪建筑物，绝对不允许洪水漫顶，造成失事)；需有适宜的坝坡，维持坝坡及坝基的稳定性；应设置良好的防渗和排水措施，控制渗流，防止坝体产生渗透变形(渗流会在坝体内产生自由水面线(称为浸润线)。渗流会造成水库的水量损失，减轻坝体渗流区内土体的有效重量，对坝坡稳定不利，使渗流逸出处土体产生渗透破坏。渗流的控制方法是设置防渗和排水设施)；根据现场的土料条件，选择好土料的填筑标准，防止过大的沉陷(施工压实过程应完成70％～80％的总沉降量)；采取适当的构造措施保护坝顶、坝坡免受自然现象的破坏，提高坝运行的可靠性和耐久性；提高土石坝机械化施工的水平。 

　　二、土石坝的渗流分析与渗流控制 

　　渗流分析的目的是对初选的坝的形式与剖面尺寸进行检验，为核算上下游坝坡稳定提供依据。根据坝体内部的渗流要素与渗流逸出坡降，检验土体的渗流稳定性，进行坝体防渗布置与土料配置，防止渗流逸出处发生管涌和流土。计算通过坝体和河岸的渗流水量损失，并设计排水系统的容量和尺寸。渗流分析的内容包括确定坝体浸润线的位置，确定渗流的要素(如渗流流速与渗透坡降)，确定通过坝体和坝基的渗流量。岩土中渗流流速υ和坡降J的关系为υ=KJ/β式中，K为渗透系数，m／s；β为参量(β＝1.0一1.1时为层流；β＝2时为紊流；β＝1.1～1.85为过渡流)；υ为换算为全断面的流速(实际土体孔隙中的流速比υ高)。 

　　土石坝中渗流流速υ和坡降J的―般假定符合达西定律(即β＝1)。细粒的黏土、沙上料基本满足达西定律。粗粒的砾石、卵石料近似满足达西定律。堆石体、岩体裂隙中的渗流，遵循不同的渗流规律，应作专门研究。当坝体为均质材料，则各向渗透系数相同；当坝体为非均质材料，则各向渗透系数不同。宽广河谷中的土石坝可采用二维渗流分析，狭窄河谷中的高土石坝应采用三维渗流分析。 

　　三、土石坝渗透变形及防止措施 

　　渗流对土体的作用从宏观上看影响坝的应力和变形，从微观上看，使土体颗粒失去原有的平衡，而产生渗透变形。渗透变形的类型包括管涌、流土、接触冲刷、化学管涌等。管涌的破坏形式是坝体和地基土体中的部分颗粒被渗流逐步带走，一般发生在无黏性沙上及砾石十：中，从发生到破坏可持续较长的时间。流土的破坏形式是在渗流的作用下黏性土和均匀的非黏性土体被浮起，一般发生在黏性土及均匀非黏性土中，发生即破坏。接触冲刷的破坏形式是在细颗粒土和粗颗粒上的交接面上，渗流方向与交接面平行，细颗粒土被渗流水冲动而发生破坏。化学管涌的破坏形式是土体中的盐类被渗流水带走。 

　　渗透变形的防止措施包括降低坝体的浸润线(也就是减少渗流产生的渗透坡降)，提高土体的抗渗能力。一般的措施有全面截阻渗流(比如采取心墙、斜墙、截水槽及混凝土防渗墙等防渗措施)、延长渗径(比如采取水平铺盖等)、设置排水设施(比如在坝体下游设置排水沟等)、设置反滤层及排渗减压井等。 

　　四、土石坝坝坡稳定分析 

　　土石坝坝坡稳定分析可采用在土力学中被广泛采用的摩尔―库伦强度理论。土坡的稳定分析方法，主要建立在极限平衡理论基础之上，假定土体为理想塑性材料，达到极限平衡状态时，土体将沿某一滑裂面产生剪切破坏而失稳，即为刚体极限平衡法。对于由凝聚性土类组成的均质或非均质土坝，比较简单实用的稳定分析方法是条分法(包括不考虑土条间相互作用力影响的瑞典圆弧法(简单条分法)、近似考虑了土条间相互作用力影响的简化毕肖普法等)，汁算时将可能滑动面以上的土体划分成若干铅直土条，对作用于各上条上的力进行力和力矩的平衡分析，求解出极限平衡状态下土坡稳定安全系数。对于尤黏性土类组成的土坝，或以心墙、斜墙为防渗体的砂砾石坝体，其坝坡的稳定分析常采川楔体极限平衡理论。 

　　五、土石坝的土基处理 

　　砂砾石地基处理的主要问题是透水性大。砂砾石地基处理措施主要是进行渗流控制，采取防渗排水设施。常用的防渗排水设施有垂直防渗设施(包括黏土截水墙、混凝土防渗墙、帷幕灌浆、上游设置水平防渗铺盖)、下游排水设施(包括水平排水层、排水沟、减压井等)、水平防渗设施等。 

　　水平防渗设施一般是用黏忭土料修筑水平铺盖与坝身防渗体相连接，并向上游延伸至要求的长度。铺盖的作用是延长渗径，从而使坝基渗漏损失和渗流坡降减小至容许范围以内。当坝基覆盖层深厚，采用垂直防渗设施造价昂贵，可以采用铺盖防渗；或在多泥沙河道内，斜墙及均质坝的防渗铺盖宜与坝前天然铺盖或坝前淤积物连接，以利形成天然防渗铺盖。水平铺盖不能完全截阻渗流，其防渗效果有一定限度，但施工简单。 

　　细沙地基的主要问题是容易发生液化。液化是在震动荷载作用下，土坝内孔隙水来不及排出，土体内孔隙压力上升，使土体颗粒间的连接强度降低，而处于流动状态。处理方法是打板桩封闭或压重(目的是增加土体的约束力)；采用振冲、强夯、爆破、挤密、震动碾压等加密方法加固(提高土体的密实度和颗粒骨架的稳定性)；排水和减压(创造排水条件以使振动孔隙水压力很快消散)。淤泥地基的主要问题是天然含水量高、抗剪强度低、承载能力差，处理方法有挖除、设置砂井加速排水、坝脚压重(以保持地基的稳定性)等。 

　　参 考 文 献 

　　[1] 王玉庆.浅谈土石坝的施工方法.水电施工设计.1997 

　　[2] 李恩施.土石坝建设与筑坝材料研究.大坝填筑施工技术.2003