土石壩設計中的問題探討

【摘 要】根據對以往土石壩破壞資料的統計分析， 屬于勘測設計方面原因的在國內外均占40%以上。本文結合勘測設計實踐經驗， 從土石壩的結構設計、土料選取等方面進行分析， 指出問題所在， 提出相應的改進措施。僅供同行借鑒！

【關鍵詞】土石壩；結構設計；問題；措施

1 結構設計

1.1 合理設計鋪土層厚，加強下游反濾設計， 減少不均勻沉陷

壩體常出現不均勻沉陷裂縫，產生集中滲流， 危及大壩安全。為防止這種險情發生， 通常采取的措施有:

1.1.1 將壩軸線布置成微拱向上游的圓弧形，以求在水壓力作用下增加壩體的縱向應力；

1.1.2 對壩體兩岸進行開挖，放緩邊坡， 并盡量避免突變段；

1.1.3 設置上游斜墻代替心墻防滲；

1.1.4 優先選用塑性粘土料填筑心墻。在缺乏條件的情況下，盡可能提高心墻下半部分土的干容重和上半部分土料的撓性， 以避免因承受較大的應力而開裂；

1.1.5 在心墻與岸坡結合面采用含水量較高的防滲土料或用塑性粘土填筑塑性帶。

盡管采取以上措施，但一方面由于近年來壩高不斷增大， 建壩河谷更窄， 岸坡更陡， 壩體仍容易產生不均勻沉陷和裂縫。另一方面由于不重視鋪土層厚， 使土石料隨層高產生分離， 降低底部填筑密度， 導致壩體在運行過程中出現嚴重的不均勻沉陷。大量土石壩的運行情況表明: 只要壩內設有合乎規范規定的下游反濾層，就可避免由集中滲流所引起的沖刷和破壞；只要將全部土石料按薄層用振動壓實法填筑，就能大大減少石料分離， 保證填筑密實度，將沉陷量降為最小。

1.2 改進土石壩與砼建筑物接觸處的處理

過去設計要求砼建筑物要伸入到土石壩一定深度， 以增長滲徑。基于這種考慮， 在土石壩內埋設的砼輸水洞， 普遍要求沿洞外壁設置足夠寬度的多道防滲截水環； 在與溢流道砼邊墻接觸處， 設置多道剌墻伸入壩體心墻內。

隨著對土石壩下游反濾層安全可靠性的認識提高， 這些部位的結構處理可作如下改進:

1.2.1 壩內砼洞和溢洪道砼邊墻接觸處， 取消截水環和刺墻；

1.2.2 將砼結構與土石壩心墻結合處的側面坡度由垂直改為8 1~ 10 1，以利于施工時碾壓機械可沿砼壁面方向行駛，將土料壓實；

1.2.3 壩內輸水洞的四周和溢洪道邊墻接觸處的下游段均做好反濾料，即使沿管壁或接觸處的砼與心墻的上游側界面產生滲漏，其滲水也會被下游側的反濾料有效控制；

1.2.4 加強下游側反濾料的設計， 精心施工， 以確保防滲效果。

1.3 簡化壩體結構

1.3.1 心墻壩

過去在粘土心墻的上游側， 通常也設置反濾層，其層數和每層材料的級配均與下游反濾層相同，其目的是防止心墻土料顆粒在庫水位降落時向上游移動， 進入上游壩殼的沙石空隙中。而在實際運行中， 當庫水位降落時，自心墻內滲入的水量很小， 而且粘土料經過壓實后有一定的強度， 在單純的重力作用下， 粘土顆粒一般沒有向上游移動的趨勢。同時， 向上游側滲水的滲透梯度一般均小于1， 而且滲流速度很小， 不致于使心墻土粘粒大量移動。美國農業部土壤保持局利用低粘性易沖刷的粘土料配上粗顆粒做反濾層， 以20 m 的水力梯度進行上游庫水位驟降時土料的沖刷試驗， 其結果表明， 以下游反濾的設計標準來要求上游反濾層， 顯然過高。為了簡化上游反濾， 首先減小其厚度， 進而將其簡化為由粒徑小于150 mm 的碎石料組成的過渡帶， 其顆粒組成不需要符合任何反濾料的組成原則。實踐證明， 對于用粘粒含量大于30%，塑性指數大于? 的粘性土料填筑的心墻，采用碎石料過渡帶是足夠的。當心墻土料為非塑性粉質砂或塑性指數小于?的低塑性的粘質粉土時，在滲水和重力的共同作用下，心墻上游面的土顆粒有可能隨著庫水位迅速消落而移動并進入過渡帶的大空隙中。

常見設計者在心墻上游側靠近頂部的部位設置厚度一般為0. 6~ 1. 2 m 的砂層，意在當心墻上部因地震和不均勻沉陷產生裂縫時，細砂可以進入縫內， 將其封堵。對于此種設防，筆者認為:

（1）以上做法是否能夠有效地充填漏水通道，現在尚無把握做出結論。但即使滲水裂縫是張開的， 由于下游反濾層的制約， 滲流速度一般也會較低。因此，裂縫的上游段應能被移動的心墻顆粒充填愈合；

（2）砂料雖然可能進入并充填裂縫， 但也會起支撐裂縫，妨礙裂縫兩側的粘土料膨脹或軟化后將裂縫填實；

（3）若想通過在心墻上游側設置填縫砂料來保護這層反濾，那么由于壩殼填料粒徑不同， 還需要在它的上游設置另一較粗的過渡帶。如此一來， 不但效果不明顯， 而且會使結構復雜和造價增大；

（4）既然下游反濾層是控制集中滲流的主要防線已得到大家的認可，那么在設計中就應該充分把握這一關鍵。如認為不夠標準， 就應改善其設計， 使之更安全可靠，而不應另外設置效果值得懷疑的另一道防線， 使壩體結構復雜化。

1.3.2 面板壩

對這種壩型的設計， 國內與國外在結構上差別很大。國外一般僅增設礫卵石排水層，而國內在面板與壩體砂礫之間， 除排水層外， 還設置了墊層、過渡層、反濾層等，達4 ~ 5層之多。而且，有的還在下游壩腳設置反濾排水壩址。筆者認為，這些面板壩的設計可能是沒有完全恰當分析青海溝后面板壩失事的原因，而是將壩體作為類似心墻壩的滲流場設計的結果。實際上面板壩下游出現滲漏同心墻壩的滲漏相比， 其重要性大不相同。不應忽視面板有效截斷滲流的防滲作用，而使得壩體斷面過分復雜。

1.4 加強壩體排水

特別是面板壩，在壩體適當部位增設排水層，以排除來自面板、止水系統及帷幕等部位的局部缺陷所形成的少量滲水，不致抬高壩體浸潤線，這對保證壩體穩定安全性起到了關鍵作用。

溝后水庫潰壩的直接原因主要是該壩并沒有設置專門排水設施， 在壩體無大的直接貫通上、下游的滲流通道和較小的滲流量（ 潰壩前測定下游地表排水溝總滲透量僅8 L/ s，其歷年在高水位運行時間較長時， 最大滲流量達16 L/ s）的情況下，壩體基本處在不均勻飽和狀態，形成滲透壓力，使壩體上部區域首先失去靜力穩定而滑動， 形成潰口， 沖刷砂礫石壩體， 繼之破壞。

1.5 優化防浪墻設計

近年來，相當一部分設計者設計出來的防浪墻底部均高于正常蓄水位，甚至高于設計洪水位。顯然這又可能強調了溝后壩壩頂防浪墻設計的某些教訓。應慎重指出，該壩防浪墻止水結構的設計與施工，根本不能起到良好的防滲效果。壩頂防浪墻應按擋水原則設計，早期較低的壩，墻高一般不超1. 2 m。但隨著壩高不斷增大，目前墻高一般可采用4~ 6 m。結構型式可采用上游高、下游低的雙墻或U 型墻， 以達到最大可能減少壩體工程量，節約投資的目的。此時，防浪墻與面板的所有連接縫及止水，應按周邊縫的原則進行設計與施工。周邊縫在國內已有很成熟的設計經驗，從其擋水防滲的效果來看，不應懷疑防浪與面板連接縫的安全性。

2 土料設計

土料設計的基本原則是根據土料性質進行合理設計，并不是根據設計指標去尋找土料。

過去，大家都認為粘土是土質心墻最好的材料，它可塑性好，能適應壩體變形， 而且抗沖能力較強。因而在修建土石壩時， 往往不惜運費，從遠距離取用粘土來填筑。在實際運行中，使用粘土和非粘性不透水土料在出現裂縫內發生集中滲流情況下， 其反應是不同的。高塑性粘土雖然在一定程度上可抵抗集中滲流對裂縫壁面的沖刷， 但由于壓實后的粘土具有較高的無側限抗壓強度， 因而會圍繞裂縫呈現拱作用， 使裂縫保持張開狀態。非粘性粉沙土基本上不具有無側限抗壓強度，因而裂縫壁面會自然坍落而使裂縫閉合，這是它的優點。勿用置疑， 心墻主要作用是防滲， 但要抵御和防止管涌沖刷， 單純依賴粘土是明顯不夠的， 而主要應依靠反濾層。因此， 當前選用心墻土料應是成本最經濟的當地不透水土料， 盡管這些土料有時屬于非粘性土，如粉沙土、含礫粉土或殘積風化土和冰磧土等， 都不宜違背土料設計的基本原則而不計造價一味追求粘性土。

3 結語

現代化的施工方法和所積累的設計與研究經驗， 實際上可以對任何自然氣候條件下修建土石壩做出經濟的設計，并加以科學論證； 可以在最合理的期限內修建高壩和超高壩。但我們也應意識到，每座大壩的實際情況都不同，具有較強的個性， 故今后尚需壩工界同仁共同努力， 進一步深入研究其設計機理，為每一座土石壩的修建提供技術支持。

參考文獻：

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