土石坝渗流控制讨论

曹克明，黄 维

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

土石坝渗流控制讨论

曹克明，黄 维

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

反滤料对坝体的渗控起关键作用，本文讨论了土石坝渗控设计三大准则：无黏性土反滤料准则、黏性土反滤料准则、土料自滤准则，重点介绍了采用Lowe Ⅲ准则检验坝料的自滤性的方法，以便与我国现行规程比较使用，并剖析了土石坝及铺盖的典型渗控设计案例供设计者参考。

土石坝；渗流控制；反滤料准则

1 概论

土石坝的反滤料可以起到滤土、排水作用。因此，反滤料可以避免其上游坝体的管涌、减低其下游坝体内的浸润线高度与坡度，对坝体的渗控起关键作用。

目前土石坝渗控设计有三大准则：无黏性土反滤料准则，黏性土反滤料准则，土料自滤准则。

1920年，太沙基提出无黏性土反滤料准则：

式中 D15—— 反滤料的粒径，小于该粒径的含量（小于该粒径土重占总土重的百分数）为15%；

D85—— 被保护土的粒径，小于该粒径的含量为85%；

D15—— 被保护土的粒径，小于该粒径含量为15%。

公式（1）中方程式（D15/D85＜4）是滤土准则，方程式（D15/D15＞4）是排水准则。其后卡萨格兰德、贝尔特拉姆将其调整为：

他们两人都为推广、改进太沙基公式做出贡献，不过公式（2）仍被统称为太沙基准则。一般认为，反滤料孔隙的孔道直径约为其D15的1/10，因此采用此公式反滤作用已有足够的安全度，此公式增加反滤料的排水作用。

设计要求：反滤料的粗包线级配对被保护土的细包线级配起反滤作用；反滤料的细包线级配对被保护土的细包线级配起排水作用；被保护土的粗包线级配可以满足防渗要求等。为满足渗控要求，被保护土如属砾石土，则其细料含量需大于50%，细料中细粒含量需大于15%。

黏性土反滤料准则是1985年美国垦务局水土保持局SCS在谢腊德领导和参与下提出的，文献上常称为谢腊德准则。黏性土难免开裂，这是黏性土开裂条件下的反滤料设计准则。被保护土分成四类，分别规定了其相应反滤料的D15。一般砾石土防渗料属于第二类，要求反滤料的D15小于等于0.7mm。当然，这些反滤料的级配还要满足自滤（self-filtering）及施工反分离的要求。为了满足施工反分离的要求，一般规定反滤料的D90≤20mm。

土体自滤准则被称为Lowe Ⅲ准则。所谓自滤是指用任意粒径将土料在其半对数坐标级配曲线上分成两组，其粗组土料要对细组土料起反滤作用，粗组的D15、细组的D85也要满足太沙基的D15/D85＜5条件。反滤料必须满足自滤条件，被保护土（包括黏性的非黏性的），满足此条件的称基土，反滤料只能对基土起保护作用。LoweⅢ证明，若此半对数坐标级配曲线的切线坡度i≥（15%）/（5倍的粒径变化），则就能满足此自滤的要求，这样就可以应用切线坡度法便利地评价土料级配的自滤性了。设计需要另绘制基土的级配曲线，以作为其反滤料级配设计的依据。通过基土最大粒径的切线坡度i=（15%）/（5倍的粒径变化），其余粒径的切线坡度则更陡，如图1、图2所示。国外已比较普遍采用Lowe III准则判断土的自滤性及确定基土。我们还认为，基土必需能对其余的较粗部分起包围作用，因此要求基土的含量应大于全料的60%。否则，只能按无自滤能力的土料处理，视同可开裂的黏性土料，采用黏性土反滤准则。

黏性土难免开裂，根据谢腊德对已建成的工程调查，许多均质坝蓄水后很快就会在其下游坝面出现渗流或陷斑，这是通过裂缝的集中渗流造成的，集中渗流还可以产生坝料的管涌而导致溃坝。根据他的调查，有7m高的均质坝因出现裂缝漏发生集中渗流导致管涌溃坝的案例。因此，要求均质坝的内排水高程要达到最高库水位，以防止此类事故的发生。所以，均质坝的流网分析只能用于估计渗漏量，不能作为决定内排水顶部高程的依据。谢腊德认为均质坝发生坝体开裂的原因，是坝基过陡或存在过其他缺陷，因此产生不均匀沉降而导致负载转移、产生低应力区，一旦其总应力小于孔隙水压力就发生水力劈裂、产生裂缝[2，3]。

文献还提到，通过一些心墙坝心墙下游侧的钻孔发现湿带，孔内水位还会很快上升到水库水位的高程，认为这就是水力劈裂造成的尚待闭合的水平裂缝，造成水力劈裂的原因主要是堆石坝壳对心墙的拱效应。

其实早在1967年，英国专家Vaughan教授就提出黏土心墙会发生水力劈裂，需按开裂条件下设计反滤料的看法[6]，并指出应设置完善反滤料（perfect filter）。此种反滤料用渗透系数表示，一般要求其渗透系数小于1×10-2cm/s，可以拦阻心墙裂缝中悬移质（絮粒）。现在，规定面板坝垫层料渗透系数k=i×10-3～i×10-4cm/s，也是希望对水库悬移质（水库泥沙）起拦阻作用，作为面板坝的第二道防渗料，以期面板破损后由垫层料拦阻的水库泥沙挡水。总之，Vaughan最早提出黏土心墙会发生水力劈裂，需要按其开裂条件设计反滤料。

我国行业标准DL/T 5395—2007规定了黏性土的反滤料应按开裂条件下设计，并推荐1985年的SCS反滤料准则。美国军工团、恳务局都早已采用此设计准则。国外已普遍采用LoweⅢ准则来检验坝料的自滤性，因此在这里作了介绍，以便与我国现行规程比较使用。

2 土石坝坝渗流控制讨论

2004年美国军工团工程师手册《General Design and Construction Consideration for Earth and Rockfill Dams》[4]中（见图3）规定了各种土石坝的渗流控制方式，此图还被文献[5]所引用。

图3中（a）的均质坝、（b）的心墙坝、（c）的斜墙坝及（e）的渗控设计规定都是很正确的，（e）所示地基冲积层截水槽下游侧采用反滤料保护心墙也是十分必要。但是，根据Tarbela坝与Ludington 上库工程的运行经验，我们认为图3（f）的水平铺盖底部应该增设黏性土反滤料。这两座工程都因为未设置这种反滤料，在运行期铺盖都遭到了严重管涌破坏。图3（d）也存在类似问题。

图1 土料级配自滤性评价图Fig.1 Criteria for self-filtering material

图2 宽级配土的反滤设计Fig.2 Example of filter design for widely graded material

3 工程实例

3.1 英国Balderhead心墙堆石坝[6]

Balderhead坝1959年设计，1965年建成，1964年10月开始蓄水，1966年2月蓄满，到1967年4月发现坝顶出现大陷坑（sink hole），于是库水位下降了9m，下降过程又出现第二个陷坑，但漏水量有所减小。

蓄满后渗流尚待稳定时坝顶就出现陷坑，是沿坝体某条裂缝的集中渗流发生管涌破坏引起的。Vaughan等研究后认为Balderhead心墙管涌破坏事件是由心墙发生水力劈裂造成的。针对当时设计不考虑心墙开裂的设计理念，他提出心墙的开裂“宁可信其有，不可信其无”的理念。反滤料的设计要假定心墙开裂条件下保护心墙料。其后，谢腊德在1973年开始发表有关在填筑坝发生裂缝及管涌的调查文章，并认为黏性土体发生开裂是普遍现象，不仅心墙坝存在，均质坝也存在。

图3 填筑坝渗流控制Fig.3 Seepage control of embankment dams

Balderhead心墙料为冲冰积土，小于5mm含量料中的细粒含量约为40%～75%，属于2类“基土”，根据现在的谢腊德准则其反滤料的D15≤0.7mm。但是此坝却采用了最大粒径为6mm的反滤料，因此导致心墙料的管涌、坝顶陷坑的产生。该坝最后采用在心墙内打设混凝土防渗墙处理。

Vaughan 认为心墙反滤料应按心墙开裂设计，并应采用Perfect filter（完善反滤料）。Perfect Filter要采用渗透系数表示，可以拦阻心墙开裂后所产生的“絮粒”（悬移质）。Cow Green黏土心墙坝也采用与Balderhead相同的冰积土心墙料，要求渗透系数小于1.6×10-2cm/s。设计采用了就地天然中砂，其D15=0.23mm，实测渗透系数k=0.9×10-2cm/s。建于1977～1985年的美国Bathcounty抽水蓄能电站上库心墙堆石坝是采用Vaughan的Perfect Filter 为其心墙下游反滤料的，但后来被谢腊德反滤料准则取代，因为按谢腊德准则确定的反滤料更为经济，毛家村、拉格都等坝的反滤料都采用混凝土用砂及细骨料混合料作心墙下游细反滤料（拉格都反滤料的实测D15=0.66mm），运行情况都很好。拉格都为援外工程，冲积层含有淤泥夹层，设计最大问题是防止心墙开裂，其运行良好可能是无意采用了谢腊德准则的反滤料。

谢腊德准则中的“基土”是指粒径小于5mm部分的防渗料，一般基土是指防渗料中有自滤能力的较细部分的防渗料。

3.2 巴基斯坦Tarbela斜墙堆石坝[7]

巴基斯坦Tarbela坝（坝高143m），覆盖层厚度220m，含有架空漂卵石夹层，铺盖最大厚度12.8m，最小厚度1.5m，通过铺盖水力梯度最大为11。铺盖长度2286m，铺盖顺河向水力坡度约为1/15，通过铺盖下坝基渗漏量估计为4.1m3/s。下游坝趾处设计有减压井以排泄渗漏量。心墙等防渗料是级配良好砾石、砂及粉砂混合材料，其粒径小于5mm部分的细粒的含量为48%～55%。河床冲积层表层分布有直径330mm到5mm的漂砾石层，其D15可到25mm，呈架空结构。冲积层表面盖有沙层，其D85最小直径0.25mm，但是在压力水作用下沙层流失后，铺盖就会产生管涌破坏。

Tarbela坝于1974年7月1日开始蓄水，8月21日蓄到80%水深时，产生了8.5m3/s的漏水量，下游坝趾许多减压井的出水量大于0.03m3/s。此时，13.7m直径的2号隧洞60m进口段也发生坍塌，被迫放空水库，9月份铺盖出露。铺盖上呈现出140条裂缝，362个沿裂缝分布陷坑（直径0.3～4.5m）。裂缝是由于水库水压力作用下，铺盖下的冲积层不均匀沉降所产生的，因此发生了集中渗流、管涌、陷坑等。陷坑的修理如图4所示，在原铺盖上修了一个新的铺盖，新铺盖底部增加了反滤料。新铺盖的渗流通过反滤层集中到陷坑处经置换的反滤料再排泄到坝基。减压井喷水量过大，为减低下游坝趾处的孔隙水压力，增加了减压井数量。1975年蓄水至正常蓄水位，增加了约30m水深的水库水压力，于是又出现新的不均匀沉降、铺盖开裂，并再产生440个陷坑。水库不能再次放空，改用水下抛填（从驳船上）修理，到1987年才完成修理工作，不再出现陷坑，历时13年。估计其冲积层还含有淤泥夹层，淤泥的固结会加长冲积层沉降稳定时间。修理效果比较满意，最后减压井不再冒水了。总结认为水库泥沙也起到了作用。我们认为Tarbela工程的铺盖底部应该在设计阶段就增加反滤料，这样可以在运行期间不进行长期修理与增加减压井数量，虽然未导致溃坝，但是不值得推荐采用。图4为Tarbela坝陷坑处理典型图。

图4 Tarbela坝陷坑处理典型图Fig.4 Typical figures on pit treatment of Tarbela dam

3.3 Ludington 抽水蓄能电站工程

Ludington抽水蓄能电站工程水头113m，装机容量1872MW，建于1973年。电站利用Michigan湖（淡水湖）为下库。上库是通过土工机械开挖形成，2.5哩（4.02km）长，1哩（1.609km）宽，库周围堤长6哩（9.64km），水深110英尺（33.55m），库容1.02亿m3，水库面积约341万m2。

上库底采用黏土铺盖，岸坡采用沥青混凝土衬砌。库底中央区域黏土铺盖厚度采用5英尺（水力梯度为22），与库周沥青护面连接处加厚为10英尺，其底部未设置反滤料。由于中央部位的黏土铺盖地基为冰碛土，不能满足对黏土铺盖的反滤要求，因此发生了开裂与漏水。其设计负责人Ehash工程师认为应设置反滤料保护，并认为只要黏土铺盖得到合格反滤料保护，原设计采用水力梯度22也是可行的。我们很同意他的总结意见。

4 面板堆石坝渗流控制

面板坝渗流控制要求垫层料对水库泥沙起反滤作用，过渡料对垫层料起反滤作用，不要求主堆石对过渡料起反滤作用，但要求过渡料的细料含量小于20%，细粒含量小于5%，以保证过渡料的渗透性及避免渗漏引起的细料流失产生附加沉降。细粒含量规定也很必要，如果漏水量不大不发生流失，可以起竖向排水作用。如果过渡料没有足够排泄能力而渗流必须通过主堆石，则也要求主堆石的细料含量不超过20%、细料含量不超过5%。

采用沙砾石为坝料时，沙砾石与堆石在渗流控制方面最大的不同是渗流可以引起砂砾石的流失导致溃坝，我国沟后坝就是实例。面板砾石坝必须像均质坝一样设置内反滤排水带，在其下游造成任意料区、避免在下游面出现渗流。图5为148m高的萨尔瓦欣纳的剖面图。建议将内反滤排水带上升到正常蓄水位高程，因为顶部面板最容易破坏，沟后下游坝坡出水点高程也很高。

图5 萨尔瓦欣纳坝渗流控制布置Fig.5 Seepage control design of Salvajina dam

其实，砾石是低压缩性材料，可以减小面板挠度，只要做好渗流控制，是设计高面板的比较理想的坝料，187m高的阿瓜米尔帕坝就选用河床砾石为坝料，其压缩模量达260MPa。澳大利亚塔斯马尼亚Crotty面板坝的砾石坝料的压缩模量为500MPa。

Crotty面板坝坝高83m，采用坝身溢洪道，为减小坝体沉降量，坝体主要材料为碾压砾石，其坝体渗控布置见图6。

垫层料宽1m，过渡料11m，过渡料对垫层料起反滤排水作用，通过垫层料的渗流全部由过渡料区排入坝底排水带排向坝下游，砾石与两岸接触带设1m宽接坡料。垫层料为洞渣的筛下料，最大粒径为8cm，为半透水料。过渡料为筛上料，最小粒径约为8cm，最大粒径约为30cm。坝底排水带厚5m，接坡料宽1m，为砾石冲洗厂的超径石料，粒径8～50cm。碾压砾石区的砾石最大粒径300mm，小于4.75mm粒径含量8%～50%，小于0.075mm粒径含量0～8%。碾压砾石区成为无渗流通过的所谓“干燥区”。

总之，采用砾石料为坝料时目前存在两种方案可供选择。

图6 Crotty坝体渗流控制布置Fig.6 Seepage control design of Crotty dam

此外，面板坝设计，特别是高面板坝设计，要求面板尽量迟后浇筑以减小堆石徐变产生的面板挠度，因此要求垫层料能挡水度汛，堆石的渗流控制还要考虑此要求。面板坝的设计还要考虑面板发生挤压破坏时产生较大渗漏量时的渗流控制。谢腊德认为，为了满足这些要求，垫层料应该设计成第二防渗线，其渗透系数应能达到k=i×10-3～i×10-4cm/s，对水库泥沙起反滤作用以减小漏水量。谢腊德建议垫层料的最大粒径为75mm时，小于4.75mm的颗粒的细料为35%～55%，小于0.075mm的颗粒的细粒为2%～12%。国际大坝会议委员会认为，细粒含量宜为5%～15%。增加细粒含量可以得到较小的渗透系数。

滩坑坝渗控设计要求：垫层料最大粒径80mm，粒径小于5mm含量35%～55%，粒径小于0.075mm含量＜8%；过渡料各为300mm，＜19%，＜5%；主堆石各为800mm，＜20%，＜5%。实测：垫层料最大粒径600～800mm粒径小于5mm含量35%～53%，平均43%；粒径小于0.075mm含量1.2%～3.9%，平均2.6%；过渡料最大粒径200～300mm，粒径小于5mm含量为4.2%～17.6%，平均11%；粒径小于0.075mm含量接近于0；主堆石最大粒径为600～800mm；粒径小于5mm含量为2.3%～11.4%，平均6.5%；粒径小于0.075mm的含量接近于0。实测平均渗透系数：垫层料k=6.6×10-4cm/s，过渡料k=5.1×10-2cm/s，主堆石k=2.3×10-1cm/s。其各区实测渗透系数表明，滩坑坝的渗控设计是比较理想的，只要认真施工，谢腊德的对其渗透系数的要求是可以达得到的。过渡料与主堆石的粒径小于0.075mm含量都接近于0，对渗控十分有利。

5 总结

土石坝是世界上最古老的坝型，其渗控设计的发展经历了漫长的过程，并且是以工程事故甚至溃坝为代价。人们花了了很长时间才认识到心墙堆石坝的黏土心墙是会开裂的，需要按心墙开裂设计反滤料。我们在此文中提出，黏土铺盖也会开裂，也要按开裂设计反滤料，供大家讨论。

[1] Lowe III，J.Seepage Analysis，Advanced Dam Engineering For Design，Construction，and Rehabilitation”.Edited by Robert B，Jansen，1988.

[2] Sherard，J.L.Filter and Seepage Control in embankment Dams，Transaction ASCE Geotechnical Conference，DeverColorada，1986.

[3] Sherard，J.L.Hydrualic Fracturing in Embankmemt Dams，Transaction ASCE Geotechnical Conference，DeverColorada，1986.

[4] US Army Corps of Engineers.Engineering and Design，Engineer Manual EM 1110-2-2300.General Design and Construction Considerations for Earth and Rockfill Dams，30 July 2004.

[5] Zipparro V.J.HasenH.Davis，Handbook of Applied Hydraulics（Fourth Edition），1993.

[6] Vaughan，P.R.，and Soares，H.F.Design of Filters for Clay Cores of Dams，Journal of Geotechnical Division，ASCE，January 1982.

[7] IzharulHaq，Mushtaq Chaudhry.Dam Foundation Problems and Solutions-Tarbela dam Project-A Case Study，Q.77-R.63，CommissionaleInternationale，Des Grands Barrages，Bejing 2000.

[8] 曹克明，汪易森，徐建军，刘斯宏.混凝土面板堆石坝.北京：中国水利水电出版社，2008.

2017-06-30

2017-07-15

曹克明（1928—），男，教授级高级工程师，国家工程设计大师，主要研究方向：水工设计。E-mail：cao_km@ecidi.com

黄 维（1970—），男，教授级高级工程师，主要研究方向：水工设计。E-mail：huang_w@ecidi.com

Discussion on Seepage Control of Embankment Dams

CAO Keming，HUANG Wei
（Power China Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou，China）

Filtersin embankment damsplaya key role for seepage controls.Threeseepage controldesign criteria of embankment damswere discussed，which are cohesionless soil filter criterion，cohesive soil filter criterion，soil material self-filtering criterion.Lowe III criterion for testing self filtration of soil material was introduced in detail，and was compared with Chinese present specification.Furthermore，typical seepage control design cases of embankment dams and blankets were analyzed，which are good references for the designers.

embankment dam ；seepage control；seft-filtering criterion

TV641

A学科代码：570.35

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.002