水工建筑物基础：土石坝地基处理

土石坝对地基的要求虽然比混凝土坝低，可不必挖除地表面透水土壤和砂砾石等，但地基的性质对土石坝的构造和尺寸仍有很大影响。据国外资料统计，土石坝失事约有40%是由于地基问题引起的，可见地基处理的重要性。土石坝地基处理的任务是：①控制渗流，使地基以及坝身不产生渗透变形，并把渗流量控制在允许的范围内；②保证地基稳定不发生滑动；③控制沉降与不均匀沉降，以限制坝体裂缝的发生。

土石坝地基处理应力求做到技术上可靠，经济上合理。筑坝前要完全清除表面的腐殖土，以及可能发生集中渗流和可能发生滑动的表层土石，例如较薄的细砂层、稀泥、草皮、树根以及乱石和松动的岩块等，清除深度一般为0.3～1.0m，然后再根据不同地基情况采取不同的处理措施。

岩石地基的强度大、变形小，一般均能满足土石坝的要求，其处理的目的主要是控制渗流，处理方法基本与重力坝相同，本节仅介绍砂砾石地基的处理。

砂砾石地基一般强度较大，压缩变形也较小，因而对修建在砂砾石地基上土石坝的地基处理主要是解决渗流问题。处理的方法是“上防下排”。属于“上防”的有铅直方向的黏土截水墙、混凝土防渗墙、板桩和帷幕灌浆，以及水平方向的防渗铺盖等；属于“下排”的有铅直方向的减压井和反滤式排水沟，以及水平方向的反滤式盖重等。所有这些措施既可以单独使用，也可以联合使用。

砂砾石地基控制渗流的措施，主要应根据地基情况、工程运用要求和施工条件选定。铅直的防渗措施能够截断地基渗流，可靠而有效地解决地基渗流问题，在技术条件可能而又经济合理时应优先采用。

1.黏性土截水墙

当覆盖层深度在15m以内时，可开挖深槽直达不透水层或基岩，槽内回填黏性土而成截水墙（也称截水槽），心墙坝、斜墙坝常将防渗体向下延伸至不透水层而成截水墙，如图6-22所示。均质坝也可将坝体部分地延伸至不透水层而成截水墙，如图6-23所示。

图6-22　黏性土截水墙

（a）截水墙的位置；（b）截水墙（或心墙、斜墙）与基岩的连接
1—黏土斜墙；2—黏土心墙；3—截水墙；4—过滤层；5—垫座；6—固结灌浆

图6-23　均质坝截水墙

截水墙底宽常根据回填土料的允许渗透坡降与基岩接触面抗渗流冲刷的允许坡降以及施工条件确定。截水墙内回填黏土、重壤土时不小于0.1H（H为作用水头），中、轻壤土不小于0.2H，且一般不小于3m，以利于施工。如我国大伙房土坝坝高48m，截水墙底宽6m，通过截水墙的最大渗透坡降为8。截水墙的开挖边坡通常不陡于1∶1，以保持边坡稳定。截水墙的土料应与其上部的心墙或斜墙一致。均质土坝截水墙所用土料应与坝体相同，其截水墙的位置宜设于距上游坝脚1/3～1/2坝底宽处。由于目前施工机械化程度的提高，黏土截水墙的采用有向深处发展的趋势，我国土石坝截水墙的开挖深度约达20m，加拿大的下诺赫坝挖深已达70m。

截水墙结构简单、工作可靠、防渗效果好，得到了广泛的应用。缺点是槽身挖填和坝体填筑不便同时进行，如汛前施工要达到一定的坝高，以拦洪度汛，工期较紧。

2.板桩

当透水的冲积层较厚时，可采用板桩截水，或先挖一定深度的截水槽，槽下打板桩，槽中回填黏土，即结合使用板桩和截水墙。通常采用的是钢板桩，木板桩一般只用于围堰等临时性工程。

钢板桩可以穿过砾石类土、软弱或风化的岩石，有些工程的钢板桩深度已达50m以上，但钢板桩难以穿过含有大卵石的土层。钢板桩并非绝对不透水，而且在砂卵石层中打钢板桩时，由于孤石的阻力，可能使板桩歪斜、脱缝或挠曲，显著地增加透水性，加之钢板桩造价较高，在我国的实际工程中用得不多。

3.混凝土防渗墙

用钻机或其他设备在土层中造成圆孔或槽孔，在孔中浇混凝土，最后连成一片，成为整体的混凝土防渗墙，适用于地基渗水层较厚的情况。

防渗墙厚度应该根据防渗和强度要求确定。按施工条件可在0.6～1.3m之间选用（一般为0.8m），因受钻孔机具的限制，墙厚不能超过1.3m，如不能满足设计要求则应采用两道墙，此时单墙厚度也不宜小于0.6m，因厚度减小时钻孔数量随之增大，减少的混凝土量已不能抵偿钻孔量增大的代价。混凝土防渗墙的允许坡降一般为80～100，混凝土强度等级为C10，抗渗等级为P6～P8，坍落度8～20cm，水泥用量为300kg/m3左右。墙底应嵌入半风化岩内0.5～1.0m，顶端插入防渗体，插入深度应为坝前水头的1/10，且不得小于2m。

修建混凝土防渗墙需要一定的机械设备，但并无特殊要求，关键是在施工过程中要保持钻孔稳定，不致坍塌，常采用膨润土或优质黏土制成的泥浆进行固壁，这种泥浆还可以起到冷却和润滑钻头的作用。

从20世纪60年代起，混凝土防渗墙得到了广泛的应用。我国已建混凝土防渗墙60余座，积累了不少施工经验，并发展了反循环回转新型冲击钻机、液压抓斗挖槽等技术，在砂卵石层中钻孔工效（70m以内）平均达到0.85m/h，进入国际先进行列。黄河小浪底工程采用深度70m的双排防渗墙，单排墙厚1.2m，如图6-24所示。

水牛家水电站的拦河大坝为土心墙坝（图6-25），最大坝高为108m，坝顶宽度10m。心墙下部河床覆盖层采用1.2m厚的混凝土防渗墙防渗，防渗墙底部嵌入基岩1m，防渗墙顶部插入心墙10m。防渗墙顶接入周边高塑性黏土，黏土区宽5.2 m，高15 m。

4.灌浆帷幕

当砂卵石层很厚时，用上述3种处理方法都较困难或不够经济，可采用灌浆帷幕防渗。

图6-24　小浪底大坝横剖面图（单位：m）

（a）大坝横剖面图；（b）坝顶构造图；（c）防浪墙细部图；（d）混凝土防渗墙顶部与斜心墙结合部位细部图
①—黏土；—高塑性黏土；、、—反滤层；③过滤料；、、○—堆石；⑤—掺合料；、—护坡块石；⑦—堆石护坡；⑧—石渣；⑨—回填砂卵石；⑩—上游铺盖

图6-25　水牛家水电站坝体结构横剖面图（单位：m）

灌浆帷幕的施工方法是：先用旋转式钻机造孔，同时用泥浆固壁，钻完孔后在孔中注入填料，插入带孔的钢管，待填料凝固后，在带孔的钢管中置入双塞灌浆器，用一定压力将水泥浆或水泥黏土浆压入透水层的孔隙中。压浆可自下而上分段进行，分段可根据透水层性质采用0.33～0.5m不等。待浆液凝固后，就形成了防渗帷幕。

灌浆帷幕的厚度T，根据帷幕最大作用水头H和允许水力坡降[J]计算得到，一般[J]=3～4。(www.zuozong.com)

灌浆帷幕厚度较大，因此需几排钻孔，孔距和排距由现场试验确定，通常为3～5m，边排孔稍密，中排孔稍稀。灌浆时，先灌边排孔，后灌中排孔，浆液由稀到浓，灌浆压力自下而上逐渐减小，由2500～4000kPa减小到200～500kPa。灌浆帷幕伸入砂卵石层下的不透水层内至少1.0m。灌浆后将表层胶结不好的砂卵石挖除，做黏土截水墙或混凝土防渗墙。

我国在密云水库白河主坝、上马岭和毛家村土石坝的砂砾石地基中采用了水泥黏土灌浆帷幕，灌浆深度达40m；法国谢尔蓬松坝（图6-26）高129m，砂砾石冲积层地基，1957年建成灌浆帷幕，深约110m，顶部厚度35m，底部厚度15m，钻孔19排，中间四排直达基岩，边孔深度逐渐变浅，渗透坡降3.5～8。目前，在砂砾石层中最深的水泥黏土灌浆帷幕已经达170m。

图6-26　灌浆帷幕和高压喷射灌浆原理（单位：m）

（a）采用灌浆帷幕的土石坝；（b）、（c）高压喷射灌浆原理示意图
1—心墙；2—上游坝壳；3—下游坝壳；4—过滤层；5—排水；6—砂砾石坝基；7—基岩；8—灌浆帷幕；9—盖重

灌浆帷幕的优点是灌浆深度大，当覆盖层内有大孤石时，可不受限制。这种方法的主要问题是对地基的适应性较差，有的地基如粉砂、细砂地基，不易灌进，而透水性太大的地基又往往耗浆量太大。所以使用这种方法时，必须对覆盖层的性质深入勘测和分析，并进行必要的现场试验。20世纪80年代后，我国发展了高压定向喷射灌浆技术，其原理是：将30～50MPa的高压水和0.7～0.8MPa的压缩空气输到喷嘴，喷嘴直径2～3mm，造成流速为100～200m/s的射流，切割地层形成缝槽，同时由1.0MPa左右的压力把水泥浆由另一钢管输送到另一喷嘴，以充填上述缝槽并渗入缝壁砂砾石地层中，凝结后形成防渗板墙。施工时，在事先形成的泥浆护壁钻孔中，将高压喷头自下而上逐渐提升即可形成防渗板墙。这种喷射板墙的渗透系数为10-6～10-5cm/s，抗压强度为6～20MPa，容许渗透坡降突破规范限制，达到80～100，施工效率高。

5.防渗铺盖

这是一种由黏性土做成的水平防渗设施，是斜墙、心墙或均质坝体向上游延伸的部分。当采用垂直防渗有困难或不经济时，可考虑采用铺盖防渗。防渗铺盖构造简单，造价一般不高，但它不能完全截断渗流，只是通过延长渗径的办法，降低渗透坡降，减小渗透流量，所以对解决渗流控制问题有一定的局限性，其布置形式如图6-27所示。

图6-27　防渗铺盖示意图

1—斜墙；2—铺盖

铺盖常用黏土或砂质黏土材料，渗透系数应小于砂砾石层渗透系数的1/100。铺盖长度一般为4～6倍水头，铺盖厚度主要取决于各点顶部和底部所受的水头差ΔHx和土料的允许坡降[J]，即距上游端为x处的厚度应不小于δx=ΔHx/[J]，[J]值对于黏土可取5～10，对壤土可取3～5。上游端部厚度不小于0.5m，与斜墙连接处常达3～5m。铺盖表面应设保护层，以防蓄水前黏土发生干裂及运用期间波浪作用和水流冲刷的破坏，铺盖与砂砾石地基之间应根据需要设置反滤层或垫层。

巴基斯坦塔贝拉土坝坝高147m，坝基砂砾石层厚度约200m，采用了厚1.5～10m、长2307m的铺盖，是目前世界上最长的铺盖。我国采用铺盖防渗有成功的实例，但在运用中也有一些铺盖出现了裂缝、塌坑、漏水等现象，影响了防渗效果，所以对高、中坝，尤其是复杂地层和防渗要求较高时，应慎重选用。

6.排水减压措施

在强透水地基中采用铺盖防渗时，由于铺盖不能截断渗流，特别当坝基表层为相对不透水层时，坝趾处不透水层的下面可能有水头较大的承压水，致使坝基发生渗透变形，或造成下游地区的沼泽化；即使表层并非不透水层，冲积土的坝基也往往具有水平方向渗透系数大于垂直方向的特点，致使坝趾处地下仍保持有较大的压力水头，也可能发生管涌或流土。针对以上这些情况，有时需在坝下游设置穿过相对不透水层并深入透水层一定深度的排水减压装置，以导出渗水，降低渗透压力，确保土石坝及其下游地区的安全。常用的排水减压设施有排水沟和排水减压井。

（1）排水沟。在离开坝趾稍靠下游平行坝轴线设置，沟底深入到透水的砂砾石层内，沟顶略高于地面，以防止周围表土的冲淤。按其构造，可分为暗沟和明沟两种。图6-28为排水暗沟，实际上也是坝身排水的组成部分；图6-29为排水明沟。两者都应沿渗流方向按反滤层布置，明沟沟底应有一定的纵坡与下游的河道连接。

图6-28　排水暗沟

1—坝体；2—坝身排水设施；3—反滤层；4—排水暗沟；5—堆石盖重

图6-29　排水明沟

1—块石或大卵石；2—碎石；3—砂；4—坝坡；5—相对不透水层

图6-30　排水减压井构造图

1—井帽；2—钢丝网出水口；3—回填混凝土；4—回填砂；5—上升管；6—穿孔管；7—反滤料；8—砂砾石；9—砂卵石

（2）排水减压井。排水减压井常用于不透水层较厚的情况，将深层承压水导出水面，然后从排水沟中排出，其构造如图6-30所示。在钻孔中插入无砂混凝土井管，周围回填反滤料，管的直径一般为20～30cm，井距一般为20～30m。

（3）透水盖重。为了保证坝址处上层弱透水层的稳定，如果不采用减压井，坝后可由透水材料做成反滤盖重，以平衡弱透水层下的扬压力，如图6-31所示。透水盖重与坝基土层之间按要求设置反滤层。

图6-31　太平湖土坝减压井与透水盖重（单位：m）

1—粉质黏土；2—重粉质壤土；3—砂砾石层；4—碎石培厚；5—透水盖重；6—减压井