土石坝的地基处理与裂缝成因及控制

1、土石坝的地基处理与裂缝成因及控制土石坝是利用当地土料、 砂砾、卵砾石渣、 石料等建筑而成。 按施工方法不同可以分为碾压式土石坝、 水中填土石坝和水力冲 填坝 ,现代土石坝多由碾压而成。按筑坝材料、坝内的配置又可 分为均质土坝、 分区坝和人工防渗材料坝。 土石坝设计的总体要 求是,大坝在正常和非正常工作条件的荷载组合条件下 , 必须保 证完成它能长期安全运用和充分发挥经济效益 , 满足稳定变形、 渗流以及规定的超高等要求。因此 , 对土石坝的地基处理与裂缝 控制不容忽视。1 土石坝的地基处理土石坝的底面积大 , 坝基应力较小 , 坝体具有一定的适应变 形的能力 , 坝体断面分区和材料的选择也具有

2、灵活性。 因此, 土石 坝对天然地基在强度和变形方面的要求以及处理措施、 应达到的 标准等 , 均可比混凝土坝相对较低 , 但防渗要求上则与混凝土坝 基本相同。土石坝对不同的地基有不同的处理方法 , 着重对土石 坝地基处理与软土地基处理的方法作以介绍。1.1 砂卵石地基处理许多土石坝建在砂卵石地基上 , 对于砂卵石地基的处理主要 是解决渗流控制问题。 处理的主要措施有垂直防渗措施、 水平防 渗措施和下游排水设施及盖垂等 , 垂直防渗措施可有效地截断坝 基渗流 , 在技术条件许可且较经济合理时 , 应优先采用。1.1.1 垂直防渗设施。垂直防渗设施包括黏性土截水槽、混 凝土防渗墙和灌浆帷幕等。(

3、1) 黏性土截水槽。 当坝基砂砾石层深度不大时 , 可开挖深槽 直达不透水层或基岩 , 槽内回填黏性土 , 与坝内防渗体连成整体 , 称之为截水槽。 它结构简单、 工作可靠、防渗效果好、 应用较广 , 适用于砂砾石层深度在15m以内,最大深度一般不超过20m截 水槽底宽根据回填土的容许渗透坡降及施工条件而定。 为防止截 水墙与基岩间可能出现的集中渗流 , 常在基岩上设置混凝土齿墙 或垫座, 必要时还需要进行灌浆。(2) 混凝土防渗墙。 当坝基砂砾石层较深时 , 采用混凝土防渗 墙是经济而又有效的防渗措施。 施工时用冲击钻分段在土层中造 成圆孔或槽形孔 , 以泥浆固壁 , 然后在槽孔内浇筑混凝土

4、 , 最后连 成整体, 形成混凝土防渗墙。墙底嵌入弱风化基石 , 深度不少于 0.51.0m, 墙顶插入防渗体内的深度 1/10 坝高。墙厚一般为 0.61.3m, 多采用 0.8m 左右。混凝土防渗墙一般适用砂砾石层深 度在80m以内的情况。(3) 灌浆帷幕。 当砂砾石层深度很大时 , 可采用灌浆的方法进 行防渗处理。也可在土层采用黏土截水槽或混凝土防渗墙 , 下部 采用灌浆帷幕。 砂砾石地基是否适合于灌浆 , 取决于它的可灌性 , 其可灌性可根据砂砾料的性质和级配 , 用可灌比和渗透系数来判 别。根据反滤原理，一般认为M10时,可灌水泥黏土浆;M15时, 可灌水泥浆。渗透系数 K40m/d

5、，可灌水泥黏土浆；K80m/d时， 可灌水泥浆。当可灌性不好时 , 可考虑采用化学灌浆。砂砾层的 帷幕灌浆大多采用水泥黏土浆 ,它不仅耗费水泥量少 ,比较经济 , 而且还有浆液性能好、不易深沉、防渗效果好等优点。帷幕的厚 度按容许坡降确定 ,而帷幕厚度 T=H/J（H 为最大设计水头 ,J 为帷 幕容许坡降 ）, 对于水泥黏土浆 , 帷幕的渗透坡降可采用 34。1.1.2 水平防渗铺盖。防渗铺盖是一种水平防渗设备 , 可由 斜墙、心墙等防渗体或均质坝体向上游水平延伸而成。 其结构简 单,防渗可靠 , 造价较低廉。铺盖通常采用黏性土料铺筑,也可以采用土工膜作铺盖 ,铺盖不能完全截断渗流 ,但能增

6、加渗径 , 可将 坝基渗透坡降和渗流量控制在容许范围内。 当河床透水层很厚时 采用垂直防渗设施有困难时 , 可以考虑采用铺盖防渗 , 有时还可 以利用天然透水地基中的 1 层不透水层作铺盖。 如果地基是渗透 性很大的砾石层或渗透稳定性很差的粉细砂, 不宜采用铺盖。铺盖的渗透系数应小于1 x 10-5cm/s,并至少比地基渗透系数小 100 倍 , 铺盖长度应根据地基特性和防渗需要由计算确定, 一般为46倍水头, 铺盖厚度由土料的容许渗透坡降而定 , 由上游端向下 游端逐渐加厚。上游端最小厚度可以取 0.51.0m, 铺盖顶面要有 保护层, 以防蓄水发生干裂及运用期间的波浪作用和水流冲刷而 导致

7、破坏。1.1.3 排水减压等措施。一般而言 , 当坝下游表层土较薄时 , 可开挖排水沟深入到下部透水层、排水沟底和边坡设反滤层 ; 当 表层土较厚或深部有强透水层时 , 设排水减压井比较有效 , 有时 也可采取减压井加盖的方法。盖一般采用透水料 , 盖重与被保护 土之间应设反滤层。1.2 软土地基处理1.2.1 淤泥层地基处理。淤泥夹层天然含水量大、容量小、 抗剪强度低、 承截力小。 当分布范围不大 , 埋藏较浅时 , 一般应全 部挖除 ; 当埋藏较深 , 分布范围较广时 ,常采用压重法或采用砂井 加速排水固结。1.2.2 细砂地基处理。均匀饱和细砂地基在地震或其他突然 荷载作用下易于液化 ,

8、 常采取措施加以处理。当厚度不大且接近 地面时 , 可考虑将其挖除。若砂层较厚可用上下层截水墙或板桩 加以封闭 , 但此法不够经济。 当砂层很厚时 , 可在坝址附近设砂井 降低砂层承压水头以防液化。用振冲器法加固地基 , 防止液化也 有较优的效果。1.2.3 软黏土和黄土地基处理。软黏土层较薄时 , 一般全部 挖除,当土层较厚时 , 可用砂换法、振冲器法 , 或在坝基中设排水 砂井加速软土固结 , 提高承载力。2 土坝的裂缝成因及控制2.1 裂缝成因由于土石坝的不均匀沉降、 地基处理不当、 设计和施工过程 中的问题 , 使土石坝产生形态各异的裂缝 , 大致可以分为以下几 类。2.1.1 变形裂

9、缝。它是由于坝的不均匀沉降所引起的 , 是破 坏坝体完整性的主要裂缝 , 危害性较大。根据裂缝的走向和位置 , 又分为 3种: 一是纵向裂缝。 缝的走向与坝轴线平行 ,主要出现在 坝顶 ,有时出现于坝坡或坝体内部。这是由于坝体或坝基各部位 沿横向的不均匀沉降所引起的。 二是横向裂缝。 裂缝的走向与坝 轴线垂直 ,这是由于坝体沿坝轴线方向不均匀沉降所引起的 , 多 出现于坝体或岸坡接头处。 三是水平裂缝。 水平裂缝多出现在较 薄的心墙坝中。2.1.2 干缩和冻融裂缝。它是黏土表面由于失水和冻融而产 生的裂缝 ,呈龟裂状 ,纵横交错 ,但深度不大 ,一般从几厘米到 1m。 缝宽常小于1cm,而且上

10、宽下窄，在浅层处逐渐尖灭，所以这种裂 缝一般对土坝的危害性不大。2.1.3 滑坡裂缝。它是坝坡失稳以前产生的裂缝。它不是一 般的变形缝 , 而是因滑移土体开始发生位移而出现的裂缝。这种 缝多发生在滑坡顶部 , 在平面上是成形 , 方向大致与坝轴线平行。 滑坡下部隆起处 , 也可能出现一些细小的裂缝 , 这种裂缝是滑坡 的前兆。2.1.4 水力甓裂缝。它是由于水压力所引起的水平或垂直裂缝, 水力劈裂缝多发生在水库多次蓄水时 , 危害性很大。2.2 土石坝裂缝的控制 控制土石坝裂缝的途径 , 首先是要合理地计算坝体应力和压 力的大少及分布 , 根据试验测定的土体强度特性 , 分析和估计坝 体可能产

11、生裂缝的危险部位、裂缝的性质以及裂缝的几何参数 ,据此采取相应的地基处理措施 ; 合理地设计土石坝剖面和细部结 构; 选择适宜的土料并采用合理的设计参数 ;严格控制施工质量 , 明确运行管理上的要求 , 并精心进行管理等。土石坝一旦出现裂缝 , 应及时查明性状进行处理。如处理不 当或不及时 , 常会造成坝的失事。国内外处理土石坝裂缝常采用 挖除回填和灌浆的方法。2.2.1 挖除回填。此法简单可行 , 比较彻底可靠 , 对纵向、横 向裂缝均可使用。对于表面干缩或冻融裂缝 , 因深度不大可不必 挖除,可用砂土填塞 ,再用低塑黏土封填夯实 , 以防雨水渗入冲 蚀。深度不大的裂缝可按干缩缝处理 , 也可挖除裂缝部位土体 , 回填稍高于最优含水率的土料 ,严格分层夯实 , 并采用洒水刨毛 等