土石坝坝型及相关问题分析

【摘要】土石坝是一种历史悠久、又充满活力的坝型，通过土石坝的发展概况介绍，Χ绕土石坝坝型和主要的几个相关问题，简明清晰地探讨了土石坝发展的脉络、坝型种类及当前主流坝型、以及防渗体系、反滤层、覆盖层处理、料源问题等，结合具体的工程经验，引进一些较为成熟的经验或技术原则。
　　1 引言
　　土石坝指由土、石料或混合料等当地材料，经抛填、辗压等堆筑成的坝，是一种历史悠久、最为普及和常见的坝型。上世纪50年代近代以来，土石坝筑坝技术结合工业水平尤其是机械制造业、电子计算机计算的发展而发展；20世纪70年代后期，随着岩土力学理论、筑坝技术和大型土石方施工机械的进步，促成了一批高坝的建设。因为各种地形、地质条件的适应性和较佳的经济性，土石坝已是世界坝工中应用最为广泛、发展最快的一种坝型。统计发现，几乎所有流域的龙头水库大坝基本都具有深厚覆盖层、较差地质条件、宽阔河谷，比较适合建设土石坝。
　　2 土石坝坝型
　　2.1 土石坝类别
　　土石坝按坝高可分为低坝、中坝和高坝，按筑坝材料可分为土坝、土石混合坝、堆石坝，土石坝按其施工方法可分为碾压式土石坝、冲填式土石坝、水中填土坝和定向爆破堆石坝等，目前应用最为广泛的碾压式土石坝按防渗设施可分为均质坝、土质防渗体分区坝和非土质材料防渗体坝。
　　近年将混凝土技术引入土石坝技术，充分利用土、石、混凝土的材料特性，形成胶凝材料坝，也不断在革新着土石坝型。
　　2.2 当前土石坝主要坝型
　　当前碾压土石坝的基本剖面由上下游块石区、过渡料区、反滤料区、防渗体构成。根据防渗体结构形式的不同，可以分为斜心墙土石坝、直心墙土石坝、面板堆石坝。从应力、应变、安全、经济的角度而言，各种类型的土石坝均有不同的特点，直心墙堆石坝在坝坡稳定性、坝体应力、地形地质条件、基础处理、抗震性能、施工方便性、工程造价等方面的优越性，使其逐步成为高坝中的主流坝型。比较典型的工程比较多，直心墙土石坝如四川硗碛、瀑布沟、云南糯扎渡，斜心墙土石坝如河南小浪底，面板堆石坝如湖北水布垭、贵州三板溪等。
　　3 几个相关问题的探讨
　　3.1 防渗体系
　　大坝坝体挡水时，由于上、下游水λ差的作用，水将经坝体和坝基的颗粒孔隙向下游渗透，渗透除可能导致水库的水量大量流失，还可能引起坝体或坝基产生管涌、流土等渗透变形，导致溃坝事故。同时以坝体浸润线为界，浸润线上的土为非饱和状态，线下土体则呈饱和状态，土体饱和后，其抗剪强度指标也将相应降低，对坝坡稳定不利。因此，应设置防渗和排水措施，以减少水库的渗©损失和保证坝坡的稳定性。
　　目前，成熟的土石坝防渗体系包括心墙、防渗墙、帷幕灌浆，很多时候，是三者或两者共同作用，联合防渗。防渗体系的正常运行，构筑了土石坝安全的生命线。故工程设计、施工过程中，须对防渗体系设施的严格控制。
　　3.2反滤层
　　设计和运行经验表明，坝基防渗墙与大坝防渗体的连接处一般应力和应变较大，需要通过合理的结构形式和连接方式来解决。故对于覆盖层上土石坝，尤其是高坝，需充分重视防渗墙顶部与河床廊道或心墙的连接、河床廊道与两岸基岩廊道连接。为确保结构连接部λ安全可靠，同时使大坝工程防渗体系具有一定的“自愈”能力，反滤层的设置必不可少。反滤层的基本形式分为垂直反滤和水平反滤，其主要功能为滤土排水。反滤料主要为人工拌制，通过调整颗粒级配满足不同分区的功能需要。
　　反滤层的安全运行，是土石坝工程的第二条生命线。
　　3.3覆盖层常规处理
　　（1）勘探及实验
　　深厚覆盖层上建坝，应十分重视地勘工作。对于覆盖层深度、构成、详细分层、压实度、各分层岩土的级配、密度、物理力学特性及渗透特性，可能的液化砂层分布及埋深，有无连续分布且较厚的渗透系数相对较小的岩土层等，均应进行深入的研究。
　　对坝基覆盖层应进行必要的室内或室外物理力学试验，提出坝基岩土体的渗透系数、允许渗透比降和承载力、变形模量、抗剪强度等各种物理力学参数。
　　（2）坝基渗©及渗流控制
　　坝基渗©及覆盖层地基的渗透稳定是砂砾石覆盖层地基存在的主要问题，应采取适宜的防渗排渗措施。 常见的形式和特点：水平防渗如水平铺盖等，便宜易实现，但效果有限；垂直防渗如截水槽、防渗墙、帷幕灌浆等，是解决问题的有效、可靠手段，应用普遍。根据“上堵下排”的渗控设计原则，在大坝防渗体下游设置水平排水褥垫和反滤盖层是有效补充措施。
　　（3）坝基抗滑稳定问题
　　由于坝基深厚覆盖层的结构复杂，抗剪强度不一，有的还存在粘土、粉土、细砂层等低强度土层，影响大坝的抗滑稳定。常见工程措施是挖除表层软弱土层、放缓坝坡、增加坝坡压重，对深部软弱土层，可采取固结灌浆、振冲置换加固等措施。
　　（4）坝基沉降、不均匀沉陷
　　坝基深厚的砂砾石或软土覆盖层，会加大坝体的沉降变形及不均匀变形，从而可能加大土石坝心墙的拱效应、产生坝体裂缝、恶化大坝防渗结构与地基防渗结构之间的连接条件。通常根据工程情况对坝基浅层一定范Χ内的覆盖层进行加固处理，以增强地基强度及稳定性，减少坝体不均匀变形。
　　（5）坝基砂层液化
　　在高地震烈度区，坝基深厚覆盖层存在可能液化层，对坝基稳定剂坝体变形不利。对判断为可能液化的坝基砂层，应采取挖除或换土措施；挖除比较困难或不经济时，可采取人工措施。对浅层医用表面振动压密法，对深层宜用振冲、强夯等方法加密，还可结合振冲处理设置砂石桩、加强坝基排水以及采用盖重等防护措施。
　　3.4 料源问题
　　大量的工程试验表明，目前对土石坝工程建设构成制约的不是技术问题，更多的时候是料源问题，包括料源的质量问题和数量问题。问题集中反映在防渗体料、反滤料、粘土等料种方面，不是所有的物料均能满足设计指标，对于这些料种，往往需要人工掺和或配置，需求量大与物料供应效率、气候限制等条件之间的ì盾，往往导致这些料种料源存在问题；堆石料、过渡料等，可根据坝体功能进行分区，往往可以做到料尽其用，但质量问题依然值得注意，尤其是上游水λ变动区。根据笔者的经验，对于堆石料或过渡料，可将压实度和孔隙率作为主要控制指标，此种情况可以大大拓展用料空间。
　　4 结语
　　土石坝是一种历史悠久的坝型，在坝工技术日趋成熟的今天，很多制约性技术问题已有很好的处理和解决，随着科技日新月异的发展，土石坝技术重新焕发出活力，坝高的量级不断突破。但因为土石坝结构和技术的复杂性，如所涉及的本构关系，高坝防渗、变形和稳定，地震响应以及坝基防渗结构连接等问题，还需要不断研究、解决。