土石坝排水设计分析

吴奇明

(江西省赣西土木工程勘测设计院，江西 宜春336000)

0 引 言

土石坝主要由坝址附近的土石料填筑压实而成，而土石料为散粒体结构，压实后其颗粒间仍存在着大量的孔隙，具有一定的透水性。为及时排出坝体内土石料颗粒间的孔隙水，需设置坝体排水;同时，为防止坝表面土石料颗粒受雨水形成的水流冲刷造成水土流失，需设置坝面排水。因此，土石坝排水包括坝体排水和坝面排水。

1 坝体排水

当土石坝挡水时，在上下游水位差的作用下，库水通过坝体和坝基覆盖层的孔隙向下游渗透。为了降低土石坝浸润线和渗透坡降，防止土石坝渗透变形，减少渗漏流量，土石坝坝体内常设有专门的防渗体以拦截渗透水。

本文以防渗体上游侧为坝体上游，防渗体下游侧为坝体下游。当库水向下游渗透时，穿过防渗体的坝体下游渗透水主要通过排水反滤体排向下游;当库水位下降时，未穿过防渗体的坝体上游渗透水主要通过护坡排水孔排回库区。

1.1 坝体下游排水及反滤

1.1.1 几种不同类型坝体排水

坝体下游排水主要有棱体排水、贴坡排水、褥垫排水及综合型排水等，其中棱体排水和贴坡排水较多应用于近年江西省中小型水库除险加固工程中。

1.1.1.1 棱体排水(又称滤水坝趾)

棱体排水是在下游坝脚处用块石堆砌而成的棱体状排水设施。它能有效降低坝体下游浸润线，排水效果较好。但因石料用量较大，造价较高，且棱体多伸入坝体内，维修较困难。如图1 为棱体排水。

图1 棱体排水结构图

1.1.1.2 贴坡排水(又称表面排水)

贴坡排水是在下游坝坡底部表面用块石、卵石等分层铺设而成的一种排水设施。贴坡顶部宜高出浸润线出逸点1.5 m以上，排水的厚度应大于当地的冰冻深度。贴坡排水不能降低坝体浸润线，但因贴坡排水构造简单，石料用量不大，造价较省，且贴坡位于坝坡表面，施工方便，维修简单。当坝体设有防渗墙，坝内浸润线位置不高，常采用贴坡排水。如图2 为贴坡排水。

图2 贴坡排水结构图

1.1.1.3 褥垫排水

褥垫排水是沿下游坝基面伸入坝体内部由块石组成并外包反滤层的一种平铺式排水设施。当下游无水时，它能有效地降低浸润线，有助于坝基排水，但对坝基不均匀沉降的适应性差，易断裂，且维修困难。如图3 为褥垫排水。

图3 褥垫排水结构图

1.1.1.4 综合型排水

综合型排水是将上述几种排水设施组合而成的一种排水设施。如图4 为棱体排水和贴坡排水组合而成。

图4 棱体排水和贴坡排水结构图

1.1.2 反滤层

为防止坝体和坝基土在渗流出口处发生管涌、流土等渗透变形，下游渗流出逸处须设置反滤层。反滤层一般由1 ～3 层不同粒径的透水性材料(如砂石料)铺筑而成，其粒径沿渗流方向由细到粗，层次大体与渗流方向正交。

反滤层必须满足如下要求:

1)能通畅地排出坝体内渗透水流。

2)保护坝体及坝基土不发生渗透变形。

3)不致被带出的细粒土淤塞而失效［1］。

如图1 ～图4 在渗透水进入排水体处均设置了反滤层。

1.2 坝体上游排水

为保护上游坝面免受波浪淘刷、顺坡水流冲刷和冰冻等危害，上游坝面常设置护坡。常见上游护坡型式有干砌或浆砌石护坡、现浇或预制混凝土或钢筋混凝土护坡等。

在库水位降落情况下，坝体防渗墙上游孔隙水将排回上游库区，因此当采用浆砌石护坡、预制或现浇混凝土、钢筋混凝土等护坡时应预留排水孔，排水孔底设置土工布和反滤垫层。

2 坝面排水

坝面排水主要是排下游坝面及坝顶的雨水，坝面排水应与坝体排水分离排出。

2.1 下游坝面排水

土石坝下游坝面一般多采用草皮护坡，为防止雨水对下游坝面冲刷而形成雨淋沟，根据规范要求，需在下游坝面设置互连且贯通的纵横向排水沟和岸坡排水沟。纵向排水沟一般布置于排水反滤体顶部及马道内侧;横向排水沟宜每50 ～100 m设置一条;岸坡排水沟则沿土石坝坝坡与山体岸坡的连接处设置，以防止山体坡面上的雨水冲刷坝面。排水沟宜用混凝土现场浇筑或浆砌石砌筑，其宽度和深度根据集水面积确定，为方便清淤，断面一般≥30 cm×30 cm。

2.2 坝顶排水

为了排除坝顶降雨积水，坝顶面应做成向一侧或两侧倾斜的横向坡度，坡度宜采用2% ～3%。若坝顶设有防浪墙，则常采用向下游一侧倾斜的横坡。坝顶向下游倾斜可利用下游坝面排水系统汇集径流。

3 工程实例

3.1 工程基本情况

江西省宜春市某水库总库容225 万m3，为一座小(1)型水库。枢纽主要建筑物有大坝、溢洪道和坝下涵管等。大坝为均质土坝，坝顶长80 m，宽4 m，最大坝高13.3 m。本工程等别为Ⅳ等，大坝为4 级建筑物，设计洪水标准采用30 a一遇，校核洪水标准采用300 a一遇。

3.2 大坝存在的主要问题

根据现场检查，主要存在以下问题:

1)大坝上、下游无护坡，下游坝坡无排水设施，坝面冲刷严重，局部坍塌。

2)下游坝脚无排水反滤。

3)下游坝脚长年湿润，且发现多处集中渗漏点。根据地质勘探与复核计算:大坝存在坝体渗漏及坝体与坝基接触渗漏问题;大坝坝顶高程不满足要求。

3.3 大坝加固设计内容

针对大坝存在的问题，大坝加固设计主要内容有:冲抓套井回填黏土防渗墙防渗;上游坝坡C15 混凝土预制块护坡;坝顶防浪墙及混凝土路面;下游坝坡草皮护坡及坝面排水系统;坝脚贴坡排水及大坝安全监测等(大坝加固横断面图见图5)。以下重点说明与大坝排水有关的加固设计内容。

图5 大坝加固横断面图

3.3.1 坝体排水及反滤设计

考虑大坝采用冲抓套井回填黏土防渗墙防渗后，坝体下游浸润线得到明显下降，下游坝脚采用贴坡排水，贴坡排水块石与坝体土之间设置砂卵砾石分级反滤层，贴坡排水包括反滤材料共分四层，由内至外分别为:第一层10 cm 厚中粗砂垫层(粒径0.25mm ～2mm，D15 =1.5)，第二层为20cm 厚卵砾石层(粒径2 ～20 mm，D15 =8)，第三层为20 cm厚碎石层(粒径20 mm ～40 mm，D15 = 26)，第四层为40 cm块石层(粒径200 ～400 mm)。在贴坡下游侧设有集渗沟，并在集渗沟出口设置量水设施以监测大坝渗流量。

大坝上游坝面采用C15 混凝土正六边形预制块护坡，厚0.1 m，边长0.3 m，下设0.1 m砂卵石垫层。预制块拼接缝上部宽2 cm，采用M10 水泥砂浆勾平缝。为保证在水位降落过程中，坝体内渗透水能迅速排出，护坡设有φ 50 mm排水孔，排水孔设置在混凝土预制块的中央，纵向间距1.8 m，横向间距2.08 m，呈梅花型布置。排水孔底设置400 g/m2反滤土工布一层，尺寸为0.35m×0.35m。混凝土预制块护坡铺设图见图6。

图6 混凝土预制块护坡铺设图

3.3.2 坝面排水设计

为了满足坝顶路面排水要求，将坝顶混凝土路面浇筑成向下游倾斜，其倾斜坡度为2%。

为防止下游坝坡雨水集中冲刷而形成雨淋沟，在贴坡排水顶部设置纵向排水沟，在两岸设置岸坡排水沟，均采用现浇C15 混凝土结构，尺寸均为0.4m×0.4 m，厚0.20 m。

3.4 大坝加固效果

大坝加固实施后，下游坝脚处大面积散浸现象和多处集中渗漏点已消失，坝容坝貌得到有效改观。

［1］毛昶熙. 渗流计算分析与控制［M］. 北京:中国水利水电出版社，2003:21 －24.