黏土铺盖在土石围堰防渗中的应用

王瑞果

中国水利水电第六工程局有限公司 辽宁 沈阳 110179

在许多水利水电土石围堰中，用黏土铺盖作为堰基的防渗措施，特别是在河床开阔、透水覆盖层较厚、无强透水夹层的均质或双层地基上的中、低水头围堰工程，与一般土石围堰采用垂直防渗措施相比，从经济与工期上均具有其优越性。

1 黏土铺盖原理及适用条件

黏性土抛入水中之后，土团粒吸水膨胀，土内产生不均匀应力，胶质逐渐溶解，团粒水膜变厚，内摩擦力及凝聚力减小，土的团粒结构也就逐渐受破坏，崩解成小土块，甚至成散粒。以后在本身自重、上层填土重量及渗透压力作用下，呈双相或单向排水，渐固结密实。密实度、含水量逐渐变得均匀，防渗能力逐步提高。要使水下抛土铺盖达到预期防渗效果，必须使水下抛土体在施工期具有崩解、密实等条件，以保证在运行期不被水流及渗流破坏。

（1）抛投区流速与水深抛入水中的黏性土会被抛投区内的水流扩散、携带流失一部分。当流速小于0.5～0.6m/s，流失量一般在15%以内。当流速达0.9～1.2m/s，便会产生严重分离和细粒大量流失现象。而细粒大量流失，不仅加大水下抛投量，且形成的铺盖防渗能力差。因此，宜尽可能在水下抛投施工期造成静水区，控制最大流速在0.5m/s以内。在围堰挡水运用期间，铺盖上的过流速度亦应小于铺盖固结后的允许冲刷速度（若铺盖上部分采用保护措施后，按不大于保护措施允许流速控制），以防止冲刷，保持铺盖完整性和防渗效果。抛土时的水深极限值与土料性质有关。黏粒含量多、含水量大的黏土块，在水中不易崩解，沉降快，受水深的制约作用小，可用于深水抛填。而黏粒含量低、含水量小的土料易崩解、分散成较细土粒，悬浮于水中，水深愈大，下沉历时愈长，这类土就不宜用于深水抛投。根据水中抛填试验，砾质土（小于0.05mm粒径的土粒占12%）不能在水深超过12m的条件下抛投，而黏粒含量较多的次生黄土（小于0.05mm粒径的土粒大于18%）能在水深13～26m处形成干密度达1.40～1.46g/cm3、渗透系数8.9×10-6～4.2×10-5cm/s的黏土铺盖。

（2）铺盖区的地基地形要求抛投区的地形比较平整或稍向堰体方向倾斜。高低不平的堰基会造成水下抛土铺盖厚薄不均，不仅增大抛投量，还会在铺盖较薄处形成集中渗流，成为防渗薄弱环节。若向堰体外方向的地形倾斜坡度小于水下抛投土自然稳定边坡，则可以形成完整铺盖，但为了满足边坡稳定要求，需增大抛投量。若地形倾斜度大于水下抛投土自然稳定边坡，则难以形成完整铺盖。为了解决这个问题，可在围堰铺盖末端抛石渣挡土堤，以稳定水下抛土体[1]。

2 黏土铺盖设计

（1）铺盖厚度、长度铺盖前端厚度一般采用0.5～1.0m，其余各处的厚度应根据铺盖上下水压差值计算确定。设通过铺盖任意点水头差值为ΔH，则该点铺盖厚度δ为：δ＞ΔH/I(式中I为土料的允许水力坡降)。除水头很低的围堰可用等厚铺盖外，中、高水头围堰的铺盖都应设计成梯形断面，在黏土心墙或斜墙相接处，铺盖要适当加厚。铺盖长度应根据削减渗透压力和防止土壤渗透变形的要求确定。对于水头不大的围堰，可先用3～5倍堰上水头控制。对中、高水头的围堰，一般应通过渗流试验，以确定铺盖长度和厚度。

（2）结构形式水下黏土铺盖可以根据地基铺盖层组合情况、水流条件以及堰体结构要求，设计成以下几种结构形式。①外铺盖布置在堰体迎水侧，呈三角形断面铺盖。用于高度不大于30～40m的土石横向围堰，也可作为混凝土围堰的堰基防渗措施。这种形式施工与堰体施工干扰少，抛投体有较长的固结时间；在施工期及运行期发生异常问题容易处理，还可以利用天然淤积铺盖增加防渗效果。②内铺盖布置在堰体下部，采用梯形断面。可用于堰高不大于15m的纵向围堰和横向围堰中。铺盖位于堰体保护之中，增大了允许抗冲流速，能人为控制铺盖长度，抛投量少，但与堰体施工干扰较大，施工程序比较复杂；为了满足塑流稳定，要求有一个排水固结密实时间，限制了铺盖上部的堰体填筑速度；不利于结合天然积物。③内外铺盖位于堰体内及迎水侧，为三角形及梯形断面组合形式，用于横向围堰。这种形式可以利用堰体的防渗结构延长渗径，减少水下抛土长度和范围。当水不深时，可以先将堰体防渗体抛出水面，然后采用端进法抛投，从而简化水下施工布置，也可利用天然淤积铺盖进一步提高防渗效果。但由于部分黏土铺盖位于堰体底部，不利于堰体稳定，为了让其固结，须控制堰体上升速度。因此，不能用于挡水水头较高的围堰。

（3）水下抛填速度抛填速度直接影响黏土铺盖的防渗效果和工程量。抛填速度快，土块还未浸透软化，崩解就被继续下抛土盖住，对于黏土形成较陡的边坡，但土团间会产生架空，对于壤土虽仍有可能继续崩解，但排水困难，影响固结速率，增大了空隙水压力，抛填一定厚度后，有造成滑坡可能。合理抛填速度应满足从土体抛入水中到被上层土覆盖时间等于黏土基本被水浸透软化所需的时间，或等于壤土基本崩解所需时间。沙壤土则应尽快覆盖，以防止过度崩解形成淤泥状[2]。

3 结束语

在设计、施工过程中，通过堰型选择，采用高喷板墙、振冲碎石桩、混凝土楔形体护面等新技术，较好地解决了防渗、堰基稳定和渡汛保护的难题。

参考文献

[1] 杨志雄.混凝土楔型体在土石过水围堰护面中的应用[J].水力发电,1991,(3):19-24.

[2] 杨欣祥,查振衡.飞来峡水利枢纽围堰堰基高压喷射灌浆防渗试验[J].水力发电,1991,(3):24-27.