土石壩的地基處理與裂縫成因及控制

丁延超

摘要土壩是應用較為廣泛的擋水建筑物,建筑材料取用方便,土石壩的地基處理及裂縫控制是保證土石壩安全、經濟、適用的前提條件。著重闡述了地基處理和裂縫成因及控制等內容,為筑壩提供技術參考。

關鍵詞土石壩;地基處理;裂縫;成因;控制

中圖分類號TV641文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2009)15-0275-02

土石壩是利用當地土料、砂礫、卵礫石渣、石料等建筑而成。按施工方法不同可以分為碾壓式土石壩、水中填土石壩和水力沖填壩,現代土石壩多由碾壓而成。按筑壩材料、壩內的配置又可分為均質土壩、分區壩和人工防滲材料壩。土石壩設計的總體要求是,大壩在正常和非正常工作條件的荷載組合條件下,必須保證完成它能長期安全運用和充分發揮經濟效益,滿足穩定變形、滲流以及規定的超高等要求。因此,對土石壩的地基處理與裂縫控制不容忽視。

1土石壩的地基處理

土石壩的底面積大,壩基應力較小,壩體具有一定的適應變形的能力,壩體斷面分區和材料的選擇也具有靈活性。因此,土石壩對天然地基在強度和變形方面的要求以及處理措施、應達到的標準等,均可比混凝土壩相對較低,但防滲要求上則與混凝土壩基本相同。土石壩對不同的地基有不同的處理方法,著重對土石壩地基處理與軟土地基處理的方法作以介紹。

1.1砂卵石地基處理

許多土石壩建在砂卵石地基上,對于砂卵石地基的處理主要是解決滲流控制問題。處理的主要措施有垂直防滲措施、水平防滲措施和下游排水設施及蓋垂等,垂直防滲措施可有效地截斷壩基滲流,在技術條件許可且較經濟合理時,應優先采用。

1.1.1垂直防滲設施。垂直防滲設施包括黏性土截水槽、混凝土防滲墻和灌漿帷幕等。

(1)黏性土截水槽。當壩基砂礫石層深度不大時,可開挖深槽直達不透水層或基巖,槽內回填黏性土,與壩內防滲體連成整體,稱之為截水槽。它結構簡單、工作可靠、防滲效果好、應用較廣,適用于砂礫石層深度在15m以內,最大深度一般不超過20m。截水槽底寬根據回填土的容許滲透坡降及施工條件而定。為防止截水墻與基巖間可能出現的集中滲流,常在基巖上設置混凝土齒墻或墊座,必要時還需要進行灌漿。

(2)混凝土防滲墻。當壩基砂礫石層較深時,采用混凝土防滲墻是經濟而又有效的防滲措施。施工時用沖擊鉆分段在土層中造成圓孔或槽形孔,以泥漿固壁,然后在槽孔內澆筑混凝土,最后連成整體,形成混凝土防滲墻。墻底嵌入弱風化基石,深度不少于0.5~1.0m,墻頂插入防滲體內的深度1/10壩高。墻厚一般為0.6~1.3m,多采用0.8m左右。混凝土防滲墻一般適用砂礫石層深度在80m以內的情況。

(3)灌漿帷幕。當砂礫石層深度很大時,可采用灌漿的方法進行防滲處理。也可在土層采用黏土截水槽或混凝土防滲墻,下部采用灌漿帷幕。砂礫石地基是否適合于灌漿,取決于它的可灌性,其可灌性可根據砂礫料的性質和級配,用可灌比和滲透系數來判別。根據反濾原理,一般認為M<5時,可灌性很小;M=5~10時,可灌性差;M>10時,可灌水泥黏土漿;M>15時,可灌水泥漿。滲透系數K>40m/d,可灌水泥黏土漿;K>80m/d時,可灌水泥漿。當可灌性不好時,可考慮采用化學灌漿。砂礫層的帷幕灌漿大多采用水泥黏土漿,它不僅耗費水泥量少,比較經濟,而且還有漿液性能好、不易深沉、防滲效果好等優點。帷幕的厚度按容許坡降確定,而帷幕厚度T=H/J(H為最大設計水頭,J為帷幕容許坡降),對于水泥黏土漿,帷幕的滲透坡降可采用3~4。

1.1.2水平防滲鋪蓋。防滲鋪蓋是一種水平防滲設備,可由斜墻、心墻等防滲體或均質壩體向上游水平延伸而成。其結構簡單,防滲可靠,造價較低廉。鋪蓋通常采用黏性土料鋪筑,也可以采用土工膜作鋪蓋,鋪蓋不能完全截斷滲流,但能增加滲徑,可將壩基滲透坡降和滲流量控制在容許范圍內。當河床透水層很厚時,采用垂直防滲設施有困難時,可以考慮采用鋪蓋防滲,有時還可以利用天然透水地基中的1層不透水層作鋪蓋。如果地基是滲透性很大的礫石層或滲透穩定性很差的粉細砂,不宜采用鋪蓋。鋪蓋的滲透系數應小于1×10-5cm/s,并至少比地基滲透系數小100倍,鋪蓋長度應根據地基特性和防滲需要由計算確定,一般為4~6倍水頭,鋪蓋厚度由土料的容許滲透坡降而定,由上游端向下游端逐漸加厚。上游端最小厚度可以取0.5~1.0m,鋪蓋頂面要有保護層,以防蓄水發生干裂及運用期間的波浪作用和水流沖刷而導致破壞。

1.1.3排水減壓等措施。一般而言,當壩下游表層土較薄時,可開挖排水溝深入到下部透水層、排水溝底和邊坡設反濾層;當表層土較厚或深部有強透水層時,設排水減壓井比較有效,有時也可采取減壓井加蓋的方法。蓋一般采用透水料,蓋重與被保護土之間應設反濾層。

1.2 軟土地基處理

1.2.1淤泥層地基處理。淤泥夾層天然含水量大、容量小、抗剪強度低、承截力小。當分布范圍不大,埋藏較淺時,一般應全部挖除;當埋藏較深,分布范圍較廣時,常采用壓重法或采用砂井加速排水固結。

1.2.2細砂地基處理。均勻飽和細砂地基在地震或其他突然荷載作用下易于液化,常采取措施加以處理。當厚度不大且接近地面時,可考慮將其挖除。若砂層較厚可用上下層截水墻或板樁加以封閉,但此法不夠經濟。當砂層很厚時,可在壩址附近設砂井,降低砂層承壓水頭以防液化。用振沖器法加固地基,防止液化也有較優的效果。

1.2.3軟黏土和黃土地基處理。軟黏土層較薄時,一般全部挖除,當土層較厚時,可用砂換法、振沖器法,或在壩基中設排水砂井加速軟土固結,提高承載力。

2土壩的裂縫成因及控制

2.1裂縫成因

由于土石壩的不均勻沉降、地基處理不當、設計和施工過程中的問題,使土石壩產生形態各異的裂縫,大致可以分為以下幾類。

2.1.1變形裂縫。它是由于壩的不均勻沉降所引起的,是破壞壩體完整性的主要裂縫,危害性較大。根據裂縫的走向和位置,又分為3種:一是縱向裂縫。縫的走向與壩軸線平行,主要出現在壩頂,有時出現于壩坡或壩體內部。這是由于壩體或壩基各部位沿橫向的不均勻沉降所引起的。二是橫向裂縫。裂縫的走向與壩軸線垂直,這是由于壩體沿壩軸線方向不均勻沉降所引起的,多出現于壩體或岸坡接頭處。三是水平裂縫。水平裂縫多出現在較薄的心墻壩中。

2.1.2干縮和凍融裂縫。它是黏土表面由于失水和凍融而產生的裂縫,呈龜裂狀,縱橫交錯,但深度不大,一般從幾厘米到1m。縫寬常小于1cm,而且上寬下窄,在淺層處逐漸尖滅,所以這種裂縫一般對土壩的危害性不大。

2.1.3滑坡裂縫。它是壩坡失穩以前產生的裂縫。它不是一般的變形縫,而是因滑移土體開始發生位移而出現的裂縫。這種縫多發生在滑坡頂部,在平面上是成形,方向大致與壩軸線平行。滑坡下部隆起處,也可能出現一些細小的裂縫,這種裂縫是滑坡的前兆。

2.1.4水力甓裂縫。它是由于水壓力所引起的水平或垂直裂縫,水力劈裂縫多發生在水庫多次蓄水時,危害性很大。

2.2土石壩裂縫的控制

控制土石壩裂縫的途徑,首先是要合理地計算壩體應力和壓力的大少及分布,根據試驗測定的土體強度特性,分析和估計壩體可能產生裂縫的危險部位、裂縫的性質以及裂縫的幾何參數,據此采取相應的地基處理措施;合理地設計土石壩剖面和細部結構;選擇適宜的土料并采用合理的設計參數;嚴格控制施工質量,明確運行管理上的要求,并精心進行管理等。

土石壩一旦出現裂縫,應及時查明性狀進行處理。如處理不當或不及時,常會造成壩的失事。國內外處理土石壩裂縫常采用挖除回填和灌漿的方法。

2.2.1挖除回填。此法簡單可行,比較徹底可靠,對縱向、橫向裂縫均可使用。對于表面干縮或凍融裂縫,因深度不大可不必挖除,可用砂土填塞,再用低塑黏土封填夯實,以防雨水滲入沖蝕。深度不大的裂縫可按干縮縫處理,也可挖除裂縫部位土體,回填稍高于最優含水率的土料,嚴格分層夯實,并采用灑水刨毛等措施,以保證新老土體結合良好。

2.2.2灌漿處理。當裂縫位于深部或延伸至深部時,常用黏土漿或黏土水泥漿處理。淺層縫可用自流式灌漿,深層縫應采用低壓灌漿,以防產生水力劈裂。

當裂縫嚴重不能用上述方法處理時,可采用泥凝土或黏土防滲墻,從壩頂開始,直達基巖。對于滑坡裂縫,應采用反壓蓋重,加強排水及至放緩壩坡等措施。

3參考文獻

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