土石坝的地基处理与裂缝成因及控制

土石坝的地基处理与裂缝成因及控制摘要土坝是应用较为广泛的挡水建筑物,建筑材料取用方便,土石坝的地基处理及裂缝控制是保证土石坝安全、经济、适用的前提条件。着重阐述了地基处理和裂缝成因及控制等内容,为筑坝提供技术参考。

关键词土石坝;地基处理;裂缝;成因;控制

中图分类号tv641文献标识码a文章编号

1007-5739(2009)15-0275-02

土石坝是利用当地土料、砂砾、卵砾石渣、石料等建筑而成。按施工方法不同可以分为碾压式土石坝、水中填土石坝和水力冲填坝,现代土石坝多由碾压而成。按筑坝材料、坝内的配置又可分为均质土坝、分区坝和人工防渗材料坝。土石坝设计的总体要求是,大坝在正常和非正常工作条件的荷载组合条件下,必须保证完成它能长期安全运用和充分发挥经济效益,满足稳定变形、渗流以及规定的超高等要求。因此,对土石坝的地基处理与裂缝控制不容忽视。

1土石坝的地基处理

土石坝的底面积大,坝基应力较小,坝体具有一定的适应变形的能力,坝体断面分区和材料的选择也具有灵活性。因此,土石坝对天然地基在强度和变形方面的要求以及处理措施、应达到的标准等,均可比混凝土坝相对较低,但防渗要求上则与混凝土坝基本相同。土石坝对不同的地基有不同的处理方法,着重对土石坝地基处理与

软土地基处理的方法作以介绍。

1.1砂卵石地基处理

许多土石坝建在砂卵石地基上,对于砂卵石地基的处理主要是

解决渗流控制问题。处理的主要措施有垂直防渗措施、水平防渗措施和下游排水设施及盖垂等,垂直防渗措施可有效地截断坝基渗流,在技术条件许可且较经济合理时,应优先采用。

1.1.1垂直防渗设施。垂直防渗设施包括黏性土截水槽、混凝土防渗墙和灌浆帷幕等。

(1)黏性土截水槽。当坝基砂砾石层深度不大时,可开挖深槽直达不透水层或基岩,槽内回填黏性土,与坝内防渗体连成整体,称之为截水槽。它结构简单、工作可靠、防渗效果好、应用较广,适用于砂砾石层深度在15m以内,最大深度一般不超过20m。截水槽底宽根据回填土的容许渗透坡降及施工条件而定。为防止截水墙与基岩间可能出现的集中渗流,常在基岩上设置混凝土齿墙或垫座,必要

时还需要进行灌浆。

(2)混凝土防渗墙。当坝基砂砾石层较深时,采用混凝土防渗墙是经济而又有效的防渗措施。施工时用冲击钻分段在土层中造成圆孔或槽形孔,以泥浆固壁,然后在槽孔内浇筑混凝土,最后连成整体,形成混凝土防渗墙。墙底嵌入弱风化基石,深度不少于0.5~1.0m,

墙顶插入防渗体内的深度1/10坝高。墙厚一般为0.6~1.3m,多采用0.8m左右。混凝土防渗墙一般适用砂砾石层深度在80m以内的情况。

(3)灌浆帷幕。当砂砾石层深度很大时,可采用灌浆的方法进行防渗处理。也可在土层采用黏土截水槽或混凝土防渗墙,下部采用灌浆帷幕。砂砾石地基是否适合于灌浆,取决于它的可灌性,其可灌性可根据砂砾料的性质和级配,用可灌比和渗透系数来判别。根据反滤原理,一般认为m10时,可灌水泥黏土浆;m>15时,可灌水泥浆。渗透系数k>40m/d,可灌水泥黏土浆;k>80m/d时,可灌水泥浆。当可灌性不好时,可考虑采用化学灌浆。砂砾层的帷幕灌浆大多采用水泥黏土浆,它不仅耗费水泥量少,比较经济,而且还有浆液性能好、不易深沉、防渗效果好等优点。帷幕的厚度按容许坡降确定,而帷幕厚度t=h/j(h为最大设计水头,j为帷幕容许坡降),对于水泥黏土浆,帷幕的渗透坡降可采用3~4。

1.1.2水平防渗铺盖。防渗铺盖是一种水平防渗设备,可由斜墙、心墙等防渗体或均质坝体向上游水平延伸而成。其结构简单,防渗可靠,造价较低廉。铺盖通常采用黏性土料铺筑,也可以采用土工膜作铺盖,铺盖不能完全截断渗流,但能增加渗径,可将坝基渗透坡降和渗流量控制在容许范围内。当河床透水层很厚时,采用垂直防渗设施有困难时,可以考虑采用铺盖防渗,有时还可以利用天然透水

地基中的1层不透水层作铺盖。如果地基是渗透性很大的砾石层或渗透稳定性很差的粉细砂,不宜采用铺盖。铺盖的渗透系数应小于1×10-5cm/s,并至少比地基渗透系数小100倍,铺盖长度应根据地基特性和防渗需要由计算确定,一般为4~6倍水头,铺盖厚度由土料的

容许渗透坡降而定,由上游端向下游端逐渐加厚。上游端最小厚度可以取0.5~1.0m,铺盖顶面要有保护层,以防蓄水发生干裂及运用

期间的波浪作用和水流冲刷而导致破坏。

1.1.3排水减压等措施。一般而言,当坝下游表层土较薄时,可开挖排水沟深入到下部透水层、排水沟底和边坡设反滤层;当表层土较厚或深部有强透水层时,设排水减压井比较有效,有时也可采取

减压井加盖的方法。盖一般采用透水料,盖重与被保护土之间应设反滤层。

1.2 软土地基处理

1.2.1淤泥层地基处理。淤泥夹层天然含水量大、容量小、抗剪强度低、承截力小。当分布范围不大,埋藏较浅时,一般应全部挖除;当埋藏较深,分布范围较广时,常采用压重法或采用砂井加速排水

固结。

1.2.2细砂地基处理。均匀饱和细砂地基在地震或其他突然荷载作用下易于液化,常采取措施加以处理。当厚度不大且接近地面时,可考虑将其挖除。若砂层较厚可用上下层截水墙或板桩加以封闭,但此法不够经济。当砂层很厚时,可在坝址附近设砂井,降低砂层承压水头以防液化。用振冲器法加固地基,防止液化也有较优的效果。

1.2.3软黏土和黄土地基处理。软黏土层较薄时,一般全部挖除,当土层较厚时,可用砂换法、振冲器法,或在坝基中设排水砂井加速软土固结,提高承载力。

2土坝的裂缝成因及控制

2.1裂缝成因

由于土石坝的不均匀沉降、地基处理不当、设计和施工过程中的问题,使土石坝产生形态各异的裂缝,大致可以分为以下几类。

2.1.1变形裂缝。它是由于坝的不均匀沉降所引起的,是破坏坝体完整性的主要裂缝,危害性较大。根据裂缝的走向和位置,又分为3种:一是纵向裂缝。缝的走向与坝轴线平行,主要出现在坝顶,有时出现于坝坡或坝体内部。这是由于坝体或坝基各部位沿横向的不均匀沉降所引起的。二是横向裂缝。裂缝的走向与坝轴线垂直,这是由于坝体沿坝轴线方向不均匀沉降所引起的,多出现于坝体或岸坡接头处。三是水平裂缝。水平裂缝多出现在较薄的心墙坝中。

2.1.2干缩和冻融裂缝。它是黏土表面由于失水和冻融而产生的裂缝,呈龟裂状,纵横交错,但深度不大,一般从几厘米到1m。缝宽常小于1cm,而且上宽下窄,在浅层处逐渐尖灭,所以这种裂缝一般对土坝的危害性不大。

2.1.3滑坡裂缝。它是坝坡失稳以前产生的裂缝。它不是一般的变形缝,而是因滑移土体开始发生位移而出现的裂缝。这种缝多发生在滑坡顶部,在平面上是成形,方向大致与坝轴线平行。滑坡下部隆起处,也可能出现一些细小的裂缝,这种裂缝是滑坡的前兆。

2.1.4水力甓裂缝。它是由于水压力所引起的水平或垂直裂缝,水力劈裂缝多发生在水库多次蓄水时,危害性很大。