土石壩滲流控制討論

曹克明，黃 維

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

土石壩滲流控制討論

曹克明，黃 維

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

反濾料對壩體的滲控起關鍵作用，本文討論了土石壩滲控設計三大準則：無黏性土反濾料準則、黏性土反濾料準則、土料自濾準則，重點介紹了采用Lowe Ⅲ準則檢驗壩料的自濾性的方法，以便與我國現行規程比較使用，并剖析了土石壩及鋪蓋的典型滲控設計案例供設計者參考。

土石壩；滲流控制；反濾料準則

1 概論

土石壩的反濾料可以起到濾土、排水作用。因此，反濾料可以避免其上游壩體的管涌、減低其下游壩體內的浸潤線高度與坡度，對壩體的滲控起關鍵作用。

目前土石壩滲控設計有三大準則：無黏性土反濾料準則，黏性土反濾料準則，土料自濾準則。

1920年，太沙基提出無黏性土反濾料準則：

式中 D15—— 反濾料的粒徑，小于該粒徑的含量（小于該粒徑土重占總土重的百分數）為15%；

D85—— 被保護土的粒徑，小于該粒徑的含量為85%；

D15—— 被保護土的粒徑，小于該粒徑含量為15%。

公式（1）中方程式（D15/D85＜4）是濾土準則，方程式（D15/D15＞4）是排水準則。其后卡薩格蘭德、貝爾特拉姆將其調整為：

他們兩人都為推廣、改進太沙基公式做出貢獻，不過公式（2）仍被統稱為太沙基準則。一般認為，反濾料孔隙的孔道直徑約為其D15的1/10，因此采用此公式反濾作用已有足夠的安全度，此公式增加反濾料的排水作用。

設計要求：反濾料的粗包線級配對被保護土的細包線級配起反濾作用；反濾料的細包線級配對被保護土的細包線級配起排水作用；被保護土的粗包線級配可以滿足防滲要求等。為滿足滲控要求，被保護土如屬礫石土，則其細料含量需大于50%，細料中細粒含量需大于15%。

黏性土反濾料準則是1985年美國墾務局水土保持局SCS在謝臘德領導和參與下提出的，文獻上常稱為謝臘德準則。黏性土難免開裂，這是黏性土開裂條件下的反濾料設計準則。被保護土分成四類，分別規定了其相應反濾料的D15。一般礫石土防滲料屬于第二類，要求反濾料的D15小于等于0.7mm。當然，這些反濾料的級配還要滿足自濾（self-filtering）及施工反分離的要求。為了滿足施工反分離的要求，一般規定反濾料的D90≤20mm。

土體自濾準則被稱為Lowe Ⅲ準則。所謂自濾是指用任意粒徑將土料在其半對數坐標級配曲線上分成兩組，其粗組土料要對細組土料起反濾作用，粗組的D15、細組的D85也要滿足太沙基的D15/D85＜5條件。反濾料必須滿足自濾條件，被保護土（包括黏性的非黏性的），滿足此條件的稱基土，反濾料只能對基土起保護作用。LoweⅢ證明，若此半對數坐標級配曲線的切線坡度i≥（15%）/（5倍的粒徑變化），則就能滿足此自濾的要求，這樣就可以應用切線坡度法便利地評價土料級配的自濾性了。設計需要另繪制基土的級配曲線，以作為其反濾料級配設計的依據。通過基土最大粒徑的切線坡度i=（15%）/（5倍的粒徑變化），其余粒徑的切線坡度則更陡，如圖1、圖2所示。國外已比較普遍采用Lowe III準則判斷土的自濾性及確定基土。我們還認為，基土必需能對其余的較粗部分起包圍作用，因此要求基土的含量應大于全料的60%。否則，只能按無自濾能力的土料處理，視同可開裂的黏性土料，采用黏性土反濾準則。

黏性土難免開裂，根據謝臘德對已建成的工程調查，許多均質壩蓄水后很快就會在其下游壩面出現滲流或陷斑，這是通過裂縫的集中滲流造成的，集中滲流還可以產生壩料的管涌而導致潰壩。根據他的調查，有7m高的均質壩因出現裂縫漏發生集中滲流導致管涌潰壩的案例。因此，要求均質壩的內排水高程要達到最高庫水位，以防止此類事故的發生。所以，均質壩的流網分析只能用于估計滲漏量，不能作為決定內排水頂部高程的依據。謝臘德認為均質壩發生壩體開裂的原因，是壩基過陡或存在過其他缺陷，因此產生不均勻沉降而導致負載轉移、產生低應力區，一旦其總應力小于孔隙水壓力就發生水力劈裂、產生裂縫[2，3]。

文獻還提到，通過一些心墻壩心墻下游側的鉆孔發現濕帶，孔內水位還會很快上升到水庫水位的高程，認為這就是水力劈裂造成的尚待閉合的水平裂縫，造成水力劈裂的原因主要是堆石壩殼對心墻的拱效應。

其實早在1967年，英國專家Vaughan教授就提出黏土心墻會發生水力劈裂，需按開裂條件下設計反濾料的看法[6]，并指出應設置完善反濾料（perfect filter）。此種反濾料用滲透系數表示，一般要求其滲透系數小于1×10-2cm/s，可以攔阻心墻裂縫中懸移質（絮粒）。現在，規定面板壩墊層料滲透系數k=i×10-3～i×10-4cm/s，也是希望對水庫懸移質（水庫泥沙）起攔阻作用，作為面板壩的第二道防滲料，以期面板破損后由墊層料攔阻的水庫泥沙擋水。總之，Vaughan最早提出黏土心墻會發生水力劈裂，需要按其開裂條件設計反濾料。

我國行業標準DL/T 5395—2007規定了黏性土的反濾料應按開裂條件下設計，并推薦1985年的SCS反濾料準則。美國軍工團、懇務局都早已采用此設計準則。國外已普遍采用LoweⅢ準則來檢驗壩料的自濾性，因此在這里作了介紹，以便與我國現行規程比較使用。

2 土石壩壩滲流控制討論

2004年美國軍工團工程師手冊《General Design and Construction Consideration for Earth and Rockfill Dams》[4]中（見圖3）規定了各種土石壩的滲流控制方式，此圖還被文獻[5]所引用。

圖3中（a）的均質壩、（b）的心墻壩、（c）的斜墻壩及（e）的滲控設計規定都是很正確的，（e）所示地基沖積層截水槽下游側采用反濾料保護心墻也是十分必要。但是，根據Tarbela壩與Ludington 上庫工程的運行經驗，我們認為圖3（f）的水平鋪蓋底部應該增設黏性土反濾料。這兩座工程都因為未設置這種反濾料，在運行期鋪蓋都遭到了嚴重管涌破壞。圖3（d）也存在類似問題。

圖1 土料級配自濾性評價圖Fig.1 Criteria for self-filtering material

圖2 寬級配土的反濾設計Fig.2 Example of filter design for widely graded material

3 工程實例

3.1 英國Balderhead心墻堆石壩[6]

Balderhead壩1959年設計，1965年建成，1964年10月開始蓄水，1966年2月蓄滿，到1967年4月發現壩頂出現大陷坑（sink hole），于是庫水位下降了9m，下降過程又出現第二個陷坑，但漏水量有所減小。

蓄滿后滲流尚待穩定時壩頂就出現陷坑，是沿壩體某條裂縫的集中滲流發生管涌破壞引起的。Vaughan等研究后認為Balderhead心墻管涌破壞事件是由心墻發生水力劈裂造成的。針對當時設計不考慮心墻開裂的設計理念，他提出心墻的開裂“寧可信其有，不可信其無”的理念。反濾料的設計要假定心墻開裂條件下保護心墻料。其后，謝臘德在1973年開始發表有關在填筑壩發生裂縫及管涌的調查文章，并認為黏性土體發生開裂是普遍現象，不僅心墻壩存在，均質壩也存在。

圖3 填筑壩滲流控制Fig.3 Seepage control of embankment dams

Balderhead心墻料為沖冰積土，小于5mm含量料中的細粒含量約為40%～75%，屬于2類“基土”，根據現在的謝臘德準則其反濾料的D15≤0.7mm。但是此壩卻采用了最大粒徑為6mm的反濾料，因此導致心墻料的管涌、壩頂陷坑的產生。該壩最后采用在心墻內打設混凝土防滲墻處理。

Vaughan 認為心墻反濾料應按心墻開裂設計，并應采用Perfect filter（完善反濾料）。Perfect Filter要采用滲透系數表示，可以攔阻心墻開裂后所產生的“絮粒”（懸移質）。Cow Green黏土心墻壩也采用與Balderhead相同的冰積土心墻料，要求滲透系數小于1.6×10-2cm/s。設計采用了就地天然中砂，其D15=0.23mm，實測滲透系數k=0.9×10-2cm/s。建于1977～1985年的美國Bathcounty抽水蓄能電站上庫心墻堆石壩是采用Vaughan的Perfect Filter 為其心墻下游反濾料的，但后來被謝臘德反濾料準則取代，因為按謝臘德準則確定的反濾料更為經濟，毛家村、拉格都等壩的反濾料都采用混凝土用砂及細骨料混合料作心墻下游細反濾料（拉格都反濾料的實測D15=0.66mm），運行情況都很好。拉格都為援外工程，沖積層含有淤泥夾層，設計最大問題是防止心墻開裂，其運行良好可能是無意采用了謝臘德準則的反濾料。

謝臘德準則中的“基土”是指粒徑小于5mm部分的防滲料，一般基土是指防滲料中有自濾能力的較細部分的防滲料。

3.2 巴基斯坦Tarbela斜墻堆石壩[7]

巴基斯坦Tarbela壩（壩高143m），覆蓋層厚度220m，含有架空漂卵石夾層，鋪蓋最大厚度12.8m，最小厚度1.5m，通過鋪蓋水力梯度最大為11。鋪蓋長度2286m，鋪蓋順河向水力坡度約為1/15，通過鋪蓋下壩基滲漏量估計為4.1m3/s。下游壩趾處設計有減壓井以排泄滲漏量。心墻等防滲料是級配良好礫石、砂及粉砂混合材料，其粒徑小于5mm部分的細粒的含量為48%～55%。河床沖積層表層分布有直徑330mm到5mm的漂礫石層，其D15可到25mm，呈架空結構。沖積層表面蓋有沙層，其D85最小直徑0.25mm，但是在壓力水作用下沙層流失后，鋪蓋就會產生管涌破壞。

Tarbela壩于1974年7月1日開始蓄水，8月21日蓄到80%水深時，產生了8.5m3/s的漏水量，下游壩趾許多減壓井的出水量大于0.03m3/s。此時，13.7m直徑的2號隧洞60m進口段也發生坍塌，被迫放空水庫，9月份鋪蓋出露。鋪蓋上呈現出140條裂縫，362個沿裂縫分布陷坑（直徑0.3～4.5m）。裂縫是由于水庫水壓力作用下，鋪蓋下的沖積層不均勻沉降所產生的，因此發生了集中滲流、管涌、陷坑等。陷坑的修理如圖4所示，在原鋪蓋上修了一個新的鋪蓋，新鋪蓋底部增加了反濾料。新鋪蓋的滲流通過反濾層集中到陷坑處經置換的反濾料再排泄到壩基。減壓井噴水量過大，為減低下游壩趾處的孔隙水壓力，增加了減壓井數量。1975年蓄水至正常蓄水位，增加了約30m水深的水庫水壓力，于是又出現新的不均勻沉降、鋪蓋開裂，并再產生440個陷坑。水庫不能再次放空，改用水下拋填（從駁船上）修理，到1987年才完成修理工作，不再出現陷坑，歷時13年。估計其沖積層還含有淤泥夾層，淤泥的固結會加長沖積層沉降穩定時間。修理效果比較滿意，最后減壓井不再冒水了。總結認為水庫泥沙也起到了作用。我們認為Tarbela工程的鋪蓋底部應該在設計階段就增加反濾料，這樣可以在運行期間不進行長期修理與增加減壓井數量，雖然未導致潰壩，但是不值得推薦采用。圖4為Tarbela壩陷坑處理典型圖。

圖4 Tarbela壩陷坑處理典型圖Fig.4 Typical figures on pit treatment of Tarbela dam

3.3 Ludington 抽水蓄能電站工程

Ludington抽水蓄能電站工程水頭113m，裝機容量1872MW，建于1973年。電站利用Michigan湖（淡水湖）為下庫。上庫是通過土工機械開挖形成，2.5哩（4.02km）長，1哩（1.609km）寬，庫周圍堤長6哩（9.64km），水深110英尺（33.55m），庫容1.02億m3，水庫面積約341萬m2。

上庫底采用黏土鋪蓋，岸坡采用瀝青混凝土襯砌。庫底中央區域黏土鋪蓋厚度采用5英尺（水力梯度為22），與庫周瀝青護面連接處加厚為10英尺，其底部未設置反濾料。由于中央部位的黏土鋪蓋地基為冰磧土，不能滿足對黏土鋪蓋的反濾要求，因此發生了開裂與漏水。其設計負責人Ehash工程師認為應設置反濾料保護，并認為只要黏土鋪蓋得到合格反濾料保護，原設計采用水力梯度22也是可行的。我們很同意他的總結意見。

4 面板堆石壩滲流控制

面板壩滲流控制要求墊層料對水庫泥沙起反濾作用，過渡料對墊層料起反濾作用，不要求主堆石對過渡料起反濾作用，但要求過渡料的細料含量小于20%，細粒含量小于5%，以保證過渡料的滲透性及避免滲漏引起的細料流失產生附加沉降。細粒含量規定也很必要，如果漏水量不大不發生流失，可以起豎向排水作用。如果過渡料沒有足夠排泄能力而滲流必須通過主堆石，則也要求主堆石的細料含量不超過20%、細料含量不超過5%。

采用沙礫石為壩料時，沙礫石與堆石在滲流控制方面最大的不同是滲流可以引起砂礫石的流失導致潰壩，我國溝后壩就是實例。面板礫石壩必須像均質壩一樣設置內反濾排水帶，在其下游造成任意料區、避免在下游面出現滲流。圖5為148m高的薩爾瓦欣納的剖面圖。建議將內反濾排水帶上升到正常蓄水位高程，因為頂部面板最容易破壞，溝后下游壩坡出水點高程也很高。

圖5 薩爾瓦欣納壩滲流控制布置Fig.5 Seepage control design of Salvajina dam

其實，礫石是低壓縮性材料，可以減小面板撓度，只要做好滲流控制，是設計高面板的比較理想的壩料，187m高的阿瓜米爾帕壩就選用河床礫石為壩料，其壓縮模量達260MPa。澳大利亞塔斯馬尼亞Crotty面板壩的礫石壩料的壓縮模量為500MPa。

Crotty面板壩壩高83m，采用壩身溢洪道，為減小壩體沉降量，壩體主要材料為碾壓礫石，其壩體滲控布置見圖6。

墊層料寬1m，過渡料11m，過渡料對墊層料起反濾排水作用，通過墊層料的滲流全部由過渡料區排入壩底排水帶排向壩下游，礫石與兩岸接觸帶設1m寬接坡料。墊層料為洞渣的篩下料，最大粒徑為8cm，為半透水料。過渡料為篩上料，最小粒徑約為8cm，最大粒徑約為30cm。壩底排水帶厚5m，接坡料寬1m，為礫石沖洗廠的超徑石料，粒徑8～50cm。碾壓礫石區的礫石最大粒徑300mm，小于4.75mm粒徑含量8%～50%，小于0.075mm粒徑含量0～8%。碾壓礫石區成為無滲流通過的所謂“干燥區”。

總之，采用礫石料為壩料時目前存在兩種方案可供選擇。

圖6 Crotty壩體滲流控制布置Fig.6 Seepage control design of Crotty dam

此外，面板壩設計，特別是高面板壩設計，要求面板盡量遲后澆筑以減小堆石徐變產生的面板撓度，因此要求墊層料能擋水度汛，堆石的滲流控制還要考慮此要求。面板壩的設計還要考慮面板發生擠壓破壞時產生較大滲漏量時的滲流控制。謝臘德認為，為了滿足這些要求，墊層料應該設計成第二防滲線，其滲透系數應能達到k=i×10-3～i×10-4cm/s，對水庫泥沙起反濾作用以減小漏水量。謝臘德建議墊層料的最大粒徑為75mm時，小于4.75mm的顆粒的細料為35%～55%，小于0.075mm的顆粒的細粒為2%～12%。國際大壩會議委員會認為，細粒含量宜為5%～15%。增加細粒含量可以得到較小的滲透系數。

灘坑壩滲控設計要求：墊層料最大粒徑80mm，粒徑小于5mm含量35%～55%，粒徑小于0.075mm含量＜8%；過渡料各為300mm，＜19%，＜5%；主堆石各為800mm，＜20%，＜5%。實測：墊層料最大粒徑600～800mm粒徑小于5mm含量35%～53%，平均43%；粒徑小于0.075mm含量1.2%～3.9%，平均2.6%；過渡料最大粒徑200～300mm，粒徑小于5mm含量為4.2%～17.6%，平均11%；粒徑小于0.075mm含量接近于0；主堆石最大粒徑為600～800mm；粒徑小于5mm含量為2.3%～11.4%，平均6.5%；粒徑小于0.075mm的含量接近于0。實測平均滲透系數：墊層料k=6.6×10-4cm/s，過渡料k=5.1×10-2cm/s，主堆石k=2.3×10-1cm/s。其各區實測滲透系數表明，灘坑壩的滲控設計是比較理想的，只要認真施工，謝臘德的對其滲透系數的要求是可以達得到的。過渡料與主堆石的粒徑小于0.075mm含量都接近于0，對滲控十分有利。

5 總結

土石壩是世界上最古老的壩型，其滲控設計的發展經歷了漫長的過程，并且是以工程事故甚至潰壩為代價。人們花了了很長時間才認識到心墻堆石壩的黏土心墻是會開裂的，需要按心墻開裂設計反濾料。我們在此文中提出，黏土鋪蓋也會開裂，也要按開裂設計反濾料，供大家討論。

[1] Lowe III，J.Seepage Analysis，Advanced Dam Engineering For Design，Construction，and Rehabilitation”.Edited by Robert B，Jansen，1988.

[2] Sherard，J.L.Filter and Seepage Control in embankment Dams，Transaction ASCE Geotechnical Conference，DeverColorada，1986.

[3] Sherard，J.L.Hydrualic Fracturing in Embankmemt Dams，Transaction ASCE Geotechnical Conference，DeverColorada，1986.

[4] US Army Corps of Engineers.Engineering and Design，Engineer Manual EM 1110-2-2300.General Design and Construction Considerations for Earth and Rockfill Dams，30 July 2004.

[5] Zipparro V.J.HasenH.Davis，Handbook of Applied Hydraulics（Fourth Edition），1993.

[6] Vaughan，P.R.，and Soares，H.F.Design of Filters for Clay Cores of Dams，Journal of Geotechnical Division，ASCE，January 1982.

[7] IzharulHaq，Mushtaq Chaudhry.Dam Foundation Problems and Solutions-Tarbela dam Project-A Case Study，Q.77-R.63，CommissionaleInternationale，Des Grands Barrages，Bejing 2000.

[8] 曹克明，汪易森，徐建軍，劉斯宏.混凝土面板堆石壩.北京：中國水利水電出版社，2008.

2017-06-30

2017-07-15

曹克明（1928—），男，教授級高級工程師，國家工程設計大師，主要研究方向：水工設計。E-mail：cao_km@ecidi.com

黃 維（1970—），男，教授級高級工程師，主要研究方向：水工設計。E-mail：huang_w@ecidi.com

Discussion on Seepage Control of Embankment Dams

CAO Keming，HUANG Wei
（Power China Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou，China）

Filtersin embankment damsplaya key role for seepage controls.Threeseepage controldesign criteria of embankment damswere discussed，which are cohesionless soil filter criterion，cohesive soil filter criterion，soil material self-filtering criterion.Lowe III criterion for testing self filtration of soil material was introduced in detail，and was compared with Chinese present specification.Furthermore，typical seepage control design cases of embankment dams and blankets were analyzed，which are good references for the designers.

embankment dam ；seepage control；seft-filtering criterion

TV641

A學科代碼：570.35

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.002