小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则

小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则(SL189-96)
砂砾石地基处理
1 本条文主要是针对渗流控制提出砂砾石地基勘探的基本内容。

2 砂砾石坝基渗流控制的措施有多种，具体某一工程采用哪种措施应根据坝型、坝基地质状况、渗流控制要求、施工方法和投资等通过经济技术比较后确定。

3 当砂砾石地基厚度小于15m时，可采用明挖截水槽的防渗措施，防渗体直接与基岩或不透水地层相联，这是一种简单、普遍的作法。

如果砂砾石透水地基深厚，截水槽底部没有达到基岩，则形成悬挂式截水槽，使防渗效果大减。

4 由于均质土坝防渗体是坝体本身，其截水槽的位置可稍偏向上游，一般可布置在坝轴线至距上游坝脚1／3坝底宽范围内。

5 截水槽的底宽根据槽内回填土料的容许渗透坡降和施工要求确定。

允许渗透坡降的取值，可根据工程规模、地质条件、填土密度进行选择。

截水槽实际上是坝体防渗体向地基中延伸，因此其组成材料应与防渗体相同，宜采用粘性土或塑性指数较大的土料填筑。

截水槽下游与砂砾石层接触面如处理不当，可能发生渗透破坏，因此要求接触面上土和砂砾石层应满足层间反滤原则，否则应沿接触面铺设反滤层。

6 为防止截水槽底与基岩或相对不透水层的接触面发生渗透破坏，截水槽底部应嵌入弱风化岩或相对不透水层0.5m。

7 当坝基为砂砾石层与弱透水层相间的地层，而弱透水层与砂砾石层的渗透系数相差100倍以上，且有一定厚度并且连续时，可看成相对不透水层，可将截水槽修建在该层上，根据计算及工程实践，在截水槽后仍有少量的剩余水头，但已能满足坝基渗流稳定的要求。

8 根据实践，如坝基砂砾石覆盖层的深度超过15m时，开挖截水槽有困难，需要采取垂直防渗措施，可以考虑采用高压喷射灌浆或混凝土防渗墙，最终需进行经济比较确定。

高压喷射灌浆法在水利工程中的应用研究始于1980年，根据粗估，截止到1989年底，仅国内水利水电系统采用高喷灌浆技术的工程项目已超过60项，完成防渗墙面积超过60万m2。

关于“高喷”的施工深度，我国目前已达41.5m，国外已达70m。

国内水利工程中最大施工深度近40m。

但国内大部分已施工项目的处理深度在15～20m以内。

9 当坝基砂砾石覆盖层厚度较大，而采用垂直防渗措施有困难或不经济时，可在上游设置铺盖防渗加下游反滤排水减压。

粘土铺盖加长了坝基渗流的渗径，使坝的水头在较长的渗流途径中逐步消减，并降低其渗透坡降，再与下游坝脚处的反滤排水设施相配合，可减少渗流量和防止坝基发生管涌。

如砂砾石地基存在强透水层，其渗流条件会大大恶化，则需慎重研究铺盖的防渗效果。

10 铺盖设计主要是确定它的合理长度、厚度及铺填土料的密度和透水性等，上述指标均与地基土层的透水性和厚度有关。

修建铺盖之后，应使坝基渗流量与坝下出逸坡降均在许可范围之内。

我国北方地区中小型土坝实际采用的铺盖长度是：当透水层较浅，水头不大时，取用(5～8)H (H是上下游水头差)；透水层较厚，水头较大时，采用(8～10) H。

铺盖厚度应保证在水头作用下铺盖不发生渗流破坏，即在铺盖的任一断面处，由于顶面与底面的水头差所引起的水力坡降应等于或小于铺盖土料的允许坡降。

土料的允许坡降按推荐的数值选用。

根据工程实践，铺盖上游端的厚度一般不小于0.5m，下游端的厚度应满足坝基渗流和铺盖允许坡降的要求，一般不小于2.5 m。

铺盖是坝体防渗体(斜墙或心墙)向上游延伸的部分，因此铺盖的土料应尽量与防渗体的土料相同。

为保证防渗效果，碾压的密度要大，根据对一些铺盖的统计分析结果，认为铺盖的渗透系数应小于或等于10-5cm／s，其渗透性最好比地基的小500～1000倍。

铺盖土的渗透性小、厚度大，则防渗效果显著。

11 透水地基上的粘土铺盖，在水库蓄水运用中往往出现裂缝、塌坑，根据一些工程运用的情况，发生裂缝、塌坑的原因主要有：
(1)河床起伏不平，铺盖厚度不均，清基不彻底，铺盖下面压有堆积的石渣、弃土或天然冲沟、古河道，地面高差太大，未认真处理，民井、废墟坟墓等未经清除以及碾压不实等。

(2)水头或水力坡降虽不大，但铺盖直接做在无砂的或少砂的砾卵石层上，没有反滤层而被渗流击穿。

(3)铺盖承受的渗透水力坡降大，基础发生变形，铺盖土体被渗流击穿。

由于天然冲积层地基结构复杂，即使在不大的范围内，地层也可能是不均匀的，在水头作用下将产生不均匀沉陷而出现裂缝。

从开挖检查中发现裂缝形状有的上宽下窄，有的上窄下宽，都符合地基不均匀沉陷的特征。

分析原因后，认为除了在设计人工粘土铺盖时要控制水力坡降外，还应在铺盖施工中注意做好下列几点：
(1)认真清除铺盖范围内的弃渣、弃土、乱石、稀泥以及表层腐殖土等。

(2)将基础整平，防止高差突变和局部鼓包。

基础下面的沟、洞、坟、井等认真清理之后，再分层回填密实。

(3)在无砂或少砂的砂砾石地基上做铺盖，在清基整平之后，先铺一层粗砂及级配好的小颗粒砂砾石，厚度为0.3～0.5m，铺平压实后填筑铺盖粘土。

(4)铺盖粘土应在地基表面无水的情况下铺筑，防止由于地基过湿而增大粘土的含水量，难以碾压密实。

(5)铺盖土料最好采用粘土或粘壤土，塑性较好，含水量适度，不含杂质，分层碾压到一定的密实度。

注意处理好每层土体之间的联接，使铺盖形成一个均匀的防渗性能好的整体。

12 在河床及两岸的阶地上往往有覆盖土层，如其有一定的厚度、组成均匀且不透水性符合要求时，可以考虑用作天然铺盖。

但需要作详细勘测，探明铺盖范围内的土层情况。

天然沉积土干密度一般较小，透水性可能偏大，并且往往厚薄不均。

因此，如果覆盖层较厚，常需要将表层翻开，重新进行碾压至要求密度。

如果覆盖层薄，应在翻压表层后，再在其上加填人工铺盖。

在库内取土筑坝时，应距上游坝脚或铺盖范围以外一定距离取土，以利用天然铺盖的防渗作用。

13 国内一些小土石坝工程较多使用复合土工膜作防渗铺盖，新疆吉木萨尔县贡拜尔沟水库是这些工程的典型实例之一。

贡拜尔水库拦河坝为均质土坝，最大坝高30m。

该工程因西岸库盘天然粘土覆盖层被破坏，漏水严重，坝后又未做反滤排水体，当蓄水200万m3时，坝后
出现管涌及局部滑坡等险情，是一座病库。

历年曾用过各种治理措施，虽有一定收效，但都未能解决根本问题。

在治理设计中，对上游防渗措施进行了方案比较，最终决定采用XD一103复合柔毡作上游铺盖防渗并采用无纺布暗管作下游反滤排水的渗流控制措施以确保大坝安全运行。

该水库治理虽只完成了上游的柔毡铺盖工程，坝下游的排水反滤工程尚待继续进行，但已取得了显著的成效。

14 为防止粘土表面干裂，在铺盖粘土填筑完毕之后，及时在表面加铺一层松土作保护层。

在可能受波浪冲刷的部位，应放置石(渣)料保护。

15 采用铺盖防渗，坝基的渗透坡降和出渗坡降较大，应做好下游的排水设施，可根据坝型、坝基性质、反滤材料等选择排水型式。

水平褥垫排水，一般是用透水滤料铺筑在坝下游部分的底面或下游盖重的下面，以提前汇集渗流。

在下述情况下常采用水平排水褥垫：
(1)下游透水坝壳或盖重是由块石组成的，此时褥垫的作用是防止地基管涌。

(2)设于均质土坝的下游，此时褥垫的作用是排出坝基和坝体渗流，防止管涌并降低坝体浸润线。

设计水平排水褥垫应注意其断面要有足够的排水能力。

褥垫厚度应能排泄大于2～3倍的渗水量，通常褥垫厚度不小于1～2m，长度可采用坝基宽度的1／3～1／4。

在坝两岸处，褥垫应铺设到库水位可能达到的最高高程以上。

为了防止坝体和地基的土粒进入褥垫而造成淤塞，褥垫填料应按反滤要求设计。

在有石料的地方，可采用堆石棱体排水。

堆石棱体排水可单独设置也可与褥垫排水联合使用。

16 当地基表层为不太厚的弱透水层或不透水层时，应将不透水层挖穿，将排水体设置在透水地基上，以减少坝趾下游的渗透压力，防止顶托不透水盖层。

如弱透水层较厚，开挖工作量较大时，可设置减压井深入透水层内，将渗水引至坝脚排水沟内，以削减水头、汇集渗水。

减压井设计的主要内容是，在满足预定的减压效果下，选择合理的井径、井距和井在透水层内的贯入深度。

为排除坝脚排水沟内的渗水，应设置横向排水沟将渗水引至下游。

排水明沟与坝体排水相联并贯穿整个坝脚或盖重尾部。

用以汇集排出的渗流。

沟底宽一般不小于0.5m。

沟底应有适当的纵坡，并从沟底底高程最低部位联结横向排水沟，通至下游河槽。

17 如下游坝基面出逸坡降大于坝基容许坡降，在出逸面铺填排水反滤层，防止坝基管涌是有效的。

如反滤层重量不足以抵消渗流上举力，可设置透水盖重。