土石坝坝型及几个相关问题的探讨

【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，围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。

【关键词】土石坝；坝型；防渗体系；覆盖层处理；安全高效；经济合理

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、下游水位差的作用，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，以减少水库的渗漏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。为确保结构连接部位安全可靠，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）坝基渗漏及渗流控制

壩基渗漏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围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矛盾，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，尤其是上游水位变动区。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。

参考文献：

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[2] 王柏乐等，中国当代土石坝工程[M]，中国水利水电出版社， 2004。

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[4] 赵增凯等，中国高土石坝的发展，水利水电规划设计总院，2007.

[5] 党林才、方光达，利用覆盖层建坝的实践与发展，中国水电工程顾问集团，2009年。

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杨靖 收

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