丁延超

摘要土坝是应用较为广泛的挡水建筑物,建筑材料取用方便,土石坝的地基处理及裂缝控制是保证土石坝安全、经济、适用的前提条件。着重阐述了地基处理和裂缝成因及控制等内容,为筑坝提供技术参考。

关键词土石坝;地基处理;裂缝;成因;控制

中图分类号TV641文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)15-0275-02

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。

(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,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0.5~1.0m,墙顶插入防渗体内的深度1/10坝高。墙厚一般为0.6~1.3m,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M<5时,可灌性很小;M=5~10时,可灌性差;M>10时,可灌水泥黏土浆;M>15时,可灌水泥浆。渗透系数K>40m/d,可灌水泥黏土浆;K>80m/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3~4。

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1×10-5cm/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4~6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0.5~1.0m,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,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,并采用洒水刨毛等措施,以保证新老土体结合良好。

2.2.2灌浆处理。当裂缝位于深部或延伸至深部时,常用黏土浆或黏土水泥浆处理。浅层缝可用自流式灌浆,深层缝应采用低压灌浆,以防产生水力劈裂。

当裂缝严重不能用上述方法处理时,可采用泥凝土或黏土防渗墙,从坝顶开始,直达基岩。对于滑坡裂缝,应采用反压盖重,加强排水及至放缓坝坡等措施。

3参考文献

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