土石坝

摘要土石坝是指由散状土、石等当地材料填筑而成的挡水坝,其自然的剖面形状为梯形。根据土石坝的发展进程,可将其大致分为三类,即古代土石坝(19世纪中期以前)、近代土石坝(19世纪中期至20世纪初期)和现代土石坝(20世纪初期以后)。 土石坝是一种极为古老的坝型,也是历史最为悠久的一种坝型...

土石坝

土石坝是指由散状土、石等当地材料填筑而成的挡水坝,其自然的剖面形状为梯形。根据土石坝的发展进程,可将其大致分为三类,即古代土石坝(19世纪中期以前)、近代土石坝(19世纪中期至20世纪初期)和现代土石坝(20世纪初期以后)。

土石坝是一种极为古老的坝型,也是历史最为悠久的一种坝型。地球上现有的挡水坝中,多数为土石坝。目前世界上两座最高的坝均为土石坝,都建在塔吉克斯坦,一座为罗贡斜心墙坝,坝高325m;另一座为努列克坝,坝高317m。据统计,至20世纪末,我国坝高15m以上的大坝有18000多座,其中85%以上为土石坝。

土石坝类型

(一)按坝高分

按土石坝的坝体最大剖面高度,分为高坝、中坝和低坝。坝高在70m以上者为高坝;高度在30~70m之间者为中坝;低于30m者为低坝。

(二)按施工方法分

1.碾压式土石坝

碾压式土石坝是由土石料分层填筑碾压而成的坝。一般的土料、砂卵石料及风化石渣等均可用于这种坝型,故碾压式土石坝是目前采用最多的一种坝型。

2.水力冲填坝

水力冲填坝是用水力机械或水力方法完成土石料的开采、运输和填筑全部工序而修成的土石坝。典型的水力冲填坝是用高压水枪在料场将土体冲击成泥浆,然后自流和用泥浆泵将泥浆送上坝面,分层淤填而成。我国西北地区的一种水坠坝实际上也是一种冲填坝,它是选择比坝顶高的土场,用水枪冲击、用爆破松土配合人工挖土,进行土料开采,泥浆经沟渠自流到坝面。用这种方法筑坝,不需土料运输机械及碾压机械,施工方法简单,工效较高,一般成本较低。要求料场位置合适,并有足够的水和电力。但是坝体的干容重较小,抗剪强度较低,剖面尺寸比碾压式土石坝大。

3.水中填土坝

这种坝是在填筑范围内用土埂围成畦格,在畦格内灌水填土,逐层填筑,利用上层土重、运输工具重和排水固结而成。固结过程中能适应较大变形,无需机械碾压。只要有充足的水源,有浸水易崩解、有一定透水性、易脱水固结的黏性土、砂质或砾质黏壤土等,均可采用此法施工。因为施工期土料的抗剪强度较低,应控制施工速度和加强排水措施以防滑坡。

4.定向爆破坝

当坝址两岸地势较高、河谷狭窄及岩石结构较为紧密时,可以利用定向爆破方法,将岸坡土石料抛填到建坝位置再整理成土石坝。定向爆破筑坝只需在山体内开挖洞室,安放炸药,一次爆破即可形成坝体的大部甚至绝大部分。这种方法筑坝,节省人力、物力和工期。缺点是对山体破坏作用大,恶化隧洞、溢洪道等建筑物的地质条件,两岸岩体裂隙增大,成为绕坝渗流的通道。坝体建成后的沉陷过大容易造成防渗结构破坏。

(三)按坝体材料分

根据坝体所用的主要材料,土石坝可分为土坝、堆石坝及土石混合坝。土和砂砾占50%以上填筑的为土坝;土和砂砾占50%以下,其他由各种石料填筑的为土石混合坝;只有防渗体是土料或沥青混凝土或钢筋混凝土,其他都由各种石料填筑的为堆石坝。

总之,它们的材料比例不同,使它们的工作条件,施工方法也不完全相同。但是,对它们的结构型式、稳定、渗流控制的要求基本相同。

土石坝优点

土石坝得以广泛应用和发展的主要原因(优点)是:

(1) 可以就地取材、就近取材、节省大量水泥、木材和钢材,减少工地外的运输量。由于设计和施工技术的发展,放宽了对筑坝材料的要求,几乎任何土石料均可筑坝。

(2) 能适应各种不同的地形、地质和气候条件。任何不良的坝址地基,经处理后均可筑坝。特别是在气候恶劣、工程地质条件复杂和高烈度地震区的情况下,土石坝实际上是唯一可取的坝型。

(3) 结构简单,施工工序少,施工技术容易掌握,既可用简单机械施工,也可高度机械化施工。

(4) 运用管理方便,寿命长,加高、扩建、维修较容易。

(5) 大容量、多功能、高效率施工机械的发展,提高了土石坝施工质量,加快了进度,降低了造价,促进了高土石坝建设的发展。

(6) 由于土石坝设计理论、试验手段、计算技术和施工技术的综合发展,提高了大坝分析计算的水平,加快了设计进度,进一步保障了大坝设计的安全可靠性。对加速土石坝的建设和推广也起了重要的促进作用。

土石坝缺点

土石坝的主要缺点是:土石坝由散状材料填筑而成,抗剪强度低、体积大、工程量大;为了确保安全,以土石坝为挡水建筑物的水库,一般不允许坝顶溢流(低水头溢流土石坝除外),必须在河岸上另开溢洪道或其他泄水建筑物;在河谷狭窄、洪水流量很大的河道上施工时,导流比较困难;黏性土料的施工受天气的影响较大。

土石坝坝型选择

坝型选择是土石坝设计中需要首先解决的一个重要问题,因为它关系到整个枢纽的工程量、投资和工期。

影响土石坝坝型选择的主要因素有:坝高、地形地质、筑坝土料(种类、性质、数量、分布、开采运输条件等)、水文气象、施工条件(导流、度汛、施工队伍的技术水平、施工机具、进度要求、运输条件等)、枢纽布置、运行条件等。这些因素又是相互联系相互制约的,对某一具体工程说,各因素对坝型选择影响主从程度也不同,因此要在深入调查研究的基础上综合考虑上述因素作出科学分析后判定。必要时可作出几种方案(包括利用导流围堰作为部分坝体的可能性),经技术经济比较后选定最优坝型。

一般来说,低坝多采用均质坝,高坝多采用分区坝 (包括心墙坝、斜墙坝、多种土质坝),我国已建成的土坝中,均质坝最多,心墙坝次之,斜墙坝又次之。而人工材料防渗的面板坝和心墙坝正处在由低坝向高坝发展阶段。

均质坝、土质防渗体的心墙坝和斜墙坝,可以适应任意的地形、地质条件;对筑坝土料的要求逐渐放宽;既可以来用先进的施工机械进行建造,在条件不具备时.也可以采用比较简单的施工机械修筑,因而对我国大量的中小型工程是值得优先考虑的坝型。

土石坝设计要求

土石坝主要是由散状的土石料填筑而成的挡水建筑物。由于土石料颗粒间黏聚力较低,水力、自重及其他外力对散粒结构的稳定性影响很大,所以土石坝剖面构造形式的设计要求不同于其他坝型。在渗流、冲刷、沉降、冰冻、地震等因素的作用和影响下,表现出相应的工作特点,从而决定了土石坝设计时应考虑下述几方面的问题。

一、稳定方面

1.结构特点

土石坝依靠无胶结的土石颗粒间的薄弱连接维持稳定,连接强度低,抗剪能力小,坝坡缓,剖面为梯形,体积庞大,所以不会发生沿坝基面的整体滑动。

2.失稳形式

其失稳的主要形式是由于坝坡过陡,坝体抗剪强度不足,产生坝坡滑动;或坝基抗剪强度不足,致使坝坡连同部分坝基一起滑动的剪切破坏;以及松散(粒径均匀、级配不连续的)饱和的颗粒,在振动作用下的液化失稳;还有坝体或坝基中的软黏土,在荷载作用下被挤出的塑性流动。都会严重影响土石坝的正常工作,进一步的发展会导致工程失事。

3.设计要求

土石坝的边坡和坝基稳定是大坝安全的基本保证。国内外土石坝的失事,约有1/4是由滑坡造成的,保持坝坡稳定是首要的。为了保证土石坝在各种工作条件下能保持稳定,应根据土石料的性质、荷载的条件,采取有效的防渗排水设施,减少渗透压力影响;合理选择填筑材料及填筑标准,提高抗剪强度;合理设计坝坡(施工期、稳定渗流期、水位骤降期还有地震时,作用在坝坡上的荷载和土石料的抗剪强度指标都将发生变化,应分别进行核算);认真做好坝基处理,并将软黏土挖除,以保持坝坡和坝基的稳定。

二、渗流方面

1.特点

土石坝的坝体、坝基都是比较透水的,在上下游水位差的作用下,水库里的水将通过坝体、坝基及两岸向下游渗透,在坝体和坝基的结合面和坝与其他建筑物的结合面,更是渗流易于通过而产生集中渗流的地方。

2.危害

一是蓄水量减少;二是降低了坝的稳定性;三是可能产生渗透变形。

渗流在坝体剖面内的自由水面称为浸润面,浸润面以上有一毛细管水区,浸润面以下的土体为饱和水区。饱和水区的土体受到水的浮力作用而减轻了填筑材料的有效重力,并使其抗剪强度(内摩擦角和黏聚力)降低;下游水位以下土体受到浮力作用而减轻了土体的有效重量。毛管水区以上为自然含水区,雨后的渗水使毛细管内水面抬高(相当于抬高了浸润线);在重力(产生渗透压力)作用下渗流;同时渗流对土体还作用有动水压力,如果渗透流速和渗流坡降超过一定的界限,会使坝体和坝基以及各结合面附近的土体产生渗透变形。这些都增加了坝坡滑动的可能性,严重时会引起土石坝的失事。

3.设计要求

为了消除或减轻上述渗流的不利影响,必须采用有效的防渗排水设施,以降低浸润线,减少渗漏,保证稳定。防渗设施与坝基、岸坡和其他建筑物连接应稳妥可靠,以防止产生集中渗流。

三、冲刷方面

1.特点、危害

由于松散料的抗冲能力很低,降落在坝上的雨水,会沿坝坡下流而冲刷坝面;库面波浪对坝面有强烈的冲击作用,很容易使坝面淘刷破坏,甚至产生塌坡事故;风浪或洪水漫过坝顶溢流会很快造成决口;下游的尾水有时也会冲刷坝脚,造成下游滑坡。

2.设计要求

坝顶应高出最高库水位,有一定的超高并要有保护结构,而且还应设有足够泄洪能力的坝外泄水建筑物,以保证洪水不漫溢坝顶。为了防止雨水和风浪对坝面的冲刷破坏,上、下游坝坡均需设置有效的保护措施(护坡)及坝面排水措施,以避免风浪、雨水的破坏。

四、沉陷方面

1.特点、危害

由于填筑颗粒间存在空气和水且很容易产生相对移动,因此在坝体自重和水压力等荷载的作用下,坝体和坝基都会由于压缩而产生沉降。沉降过大会造成坝顶高程不足而影响土石坝的正常工作。过大的不均匀沉降会引起坝体开裂,甚至造成漏水的通道而威胁坝的安全。

2.设计要求

为了减少沉降,要合理设计坝体剖面及细部构造,正确选择坝体填筑料及分区,施工时填筑料的压实要符合设计标准,质量要均匀一致。沉降要经过相当长的时间才能完成,沉降量的大小与土料性质、荷载大小(坝高)及施工压实质量等有关。根据观测统计资料,完工时的沉降量一般可达总沉降量的70%~80%,为了防止由于沉降而引起坝高不足,在施工中要加上沉降值。完工后的沉降量大小与施工质量关系很大,施工质量一般的中小高度土坝,坝基无压缩性很大的土层时,坝顶高程可按坝高的1%~2%预留沉降值;对于重要的土坝或高坝应由沉降量计算确定。

五、其他方面

1.冰冻影响

严寒地区,库面处冬季结冰形成的冰盖层与坝坡冻结在一起,冰盖层膨胀时对坝坡产生很大的静冰压力,会导致护坡的破坏。水位以上土壤冻胀再融化时,抗剪强度指标大为降低而滑塌;黏性土冻融后会产生孔穴或裂缝。应结合防止冲刷破坏等措施,做好坝面保护。

2.高温干旱

高温季节坝面会因大量失水而干缩开裂,雨水进入裂缝引起集中渗流并进一步发展。应结合防止冲刷等破坏,做好坝面保护措施。

3.地震破坏

地震力作用,会增加坝坡坍塌的可能性,坝体或坝基中的饱和砂土在振动作用下易产生液化破坏。为了防止这些不利现象的发生,应结合稳定方面的设计,采取有效措施。

4.生物破坏

老鼠、白蚁、黄鼠狼等动物做穴,会使“千里之堤,毁于蚁穴”,应结合防止冲刷等破坏,做好坝面保护措施。

从上述工作特点可以看出,造成土石坝破坏的原因是多方面的。根据一些国家对土石坝失事的统计,由于水流漫顶失事的占30%;由于坝坡坍塌失事的占25%;由于坝基渗漏失事的占25%;坝下涵管出问题的占13%,其他占7%。但是,只要针对土石坝的工作特点,在设计中采取相应的有效措施,精心施工保证质量,加强运行管理维护,就能够保证土石坝的安全运行。

土石坝尺寸构造

土石坝体的设计,首先是根据坝址附近可用于筑坝土石料的分布情况及坝高和坝的等级、地形地质条件,选定合适的坝型及坝体材料分区。其次根据施工、运行条件等,参照现有工程的实践经验初步拟定坝的基本尺寸,包括坝顶高程、坝坡、坝顶宽度以及防渗体及排水设备、护坡等的尺寸,使之满足土石坝的工作要求。然后通过渗流计算和稳定分析,进一步修正原拟定的尺寸与构造,最终确定合理的剖面尺寸,使之达到既安全又经济的目的。

一、坝顶高程

为了保证库水不漫过坝顶,坝顶高程应在水库正常运用和非常运用的静水位以上,并有足够的坝顶超高。规范规定,坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高等数值之和,应按以下运用条件计算,取其最大值:①设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高;②正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高;③校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高;④正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高,再按《水工建筑物抗震设计规范》(SL 203)的规定加地震安全加高(0.5~1.5m)。

二、坝顶构造

(一)坝顶宽度

坝顶宽度应根据运行、施工、构造、交通和人防等方面的要求综合确定。我国土石坝设计规范要求,高坝的最小顶宽为10~15m,中低坝为5~10m。《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL 189)建议:坝高30m以下的4级、5级坝,其坝顶宽度可取3~6m。

(二)坝顶构造

坝顶结构与布置应经济实用,建筑艺术处理应美观大方,并与周围环境相协调。

坝顶盖面材料应根据当地材料情况及坝顶用途确定,一般采用密实的砂砾石、碎石、单层砌石或沥青混凝土等柔性材料。如有交通要求,应根据交通部门的有关规定设计。

坝顶面应向下游侧倾斜,横向坡度宜根据降雨强度,在2%~3%之间选择,并应做好向下游的排水系统。

坝顶上游侧宜设防浪墙,墙顶一般高出坝顶1.00~1.20m。防浪墙应坚固不透水,用浆砌石或混凝土建造,其基础应牢固地埋入坝内,并与坝的防渗体紧密连接。其结构尺寸应根据稳定、强度计算确定,并应设置伸缩缝,做好止水。位于地震区的土石坝应核算防浪墙的动力稳定性。对于高坝,坝顶下游侧和不设防浪墙的上游侧,根据运用条件(允许公共通行的)可设栏杆、路肩石、警示牌等安全防护措施。

三、坝坡构造

(一)坝坡坡度

坝坡坡度对坝体稳定以及工程量的大小都有着重要影响。土石坝坝坡的坡度取决于坝型、坝高、筑坝土料的性质、地质条件及地震情况等因素。通常是根据选定的坝型参照已建工程初步选定坝坡,通过稳定计算分析,逐步修正后确定合理的坝坡。

(二)护坡构造

土石坝上游坡面要经受波浪淘刷、顺坡水流冲刷、冰层和漂浮物等的危害作用;下游坡面要遭受雨水、大风、尾水部位的风浪、冰层和水流的作用以及动物、冻胀、干裂等因素的破坏作用。因此,上下游坝面必须设置护坡,只有石质下游坡可以例外。

1.砌石护坡

人工砌筑于碎石垫层上的块石护坡。块石要坚硬、不易风化(一般其抗压强度不低于3×104~5×104kPa),砌筑要紧密嵌实。

2.混凝土或钢筋混凝土板护坡

当地缺乏石料时,可在上游采用混凝土(图3-7)及钢筋混凝土板护坡。混凝土板厚0.3~0.5m;钢筋混凝土板厚0.15~0.25m。矩形板平面尺寸,现场浇筑时一般为5m×5m~10m×10m;预制板可小些,一般为1.5m×1.5m~3m×3m。六角形板一般小于1m2。现在大多采用带锁扣的预制板,尺寸更小些。

3.草皮护坡

在坝坡上种草或移植0.1~0.2m厚的草皮,草在土中生根,草蔓延于坝坡面,能起到较好的保土作用。若坝坡为砂性土,需在草皮下先铺一层厚0.2~0.3m的腐殖土,然后再铺草皮。草皮护坡施工简单、造价低,是我国的中小型土坝下游护坡的基本型式。

四、坝体防渗

设施透水和不透水是相对的概念,所谓防渗体,是指这部分比其他部分更不透水,它的作用是降低坝体内浸润线的位置,并保持渗流稳定。

(一)土质防渗体

在土石坝中,土质防渗体是应用最为广泛的防渗结构,可用作防渗体的土料范围很广。除均质土坝因坝体土料透水性较小(一般渗透系数K<1×10-4cm/s)可直接起防渗作用外,其他坝型均应设置专门的坝体防渗设施。防渗体的主要结构型式为心墙和斜墙。

(二) 沥青混凝土防渗体

沥青混凝土具有较好的塑性和柔性,渗透系数约为10-10~10-7cm/s,所以防渗和适应变形的能力均较好。产生裂缝时,有一定的自行愈合的功能,而且施工受气候的影响也小,故适合作土石坝的防渗体材料。20世纪60年代以来,应用沥青混凝土作防渗体的土石坝发展较快,世界各国已建200多座。奥地利的欧申立克沥青混凝土斜墙堰石坝,坝高106m。我国近20年来已建成20多座,其中,陕西石砭峪沥青混凝土斜墙定向爆破堆石坝,坝高82.5m。

五、坝基防渗设施

黏土地基渗透性较小,可不做坝基防渗设施。

1.截水槽

截水槽是坝体防渗体向透水地基中的延伸。先沿坝轴向在地基中开挖一道连续的梯形断面槽,槽底达不透水层 (或相对不透水层),然后在槽内回填黏性土并分层压实与坝身防渗体连成整体。均质坝下的截水槽位置,选在距上游坝脚1/3~1/2坝底宽度处。此型式适用于透水层深度小于10~15m的情况,过深则挖方量过大、施工排水困难而不经济。截水槽是构造简单、防渗有效、稳妥可靠的坝基防渗设施。

2.铺盖

铺盖是均质坝体或心墙或斜墙向上游水平的延伸。铺盖不能截断坝基透水层中的渗流,主要是延长坝基渗流的渗径,以控制渗透坡降和渗流量在允许的范围内。铺盖面积大而厚度薄,地质不均匀时易断裂而使防渗效果不理想。对于中低坝坝基砂砾级配良好且渗透系数不很大时,只要施工质量良好,坝下游做好排水减压设施,是能够达到防渗要求的,所以多用于中、低坝做截水槽(墙)有困难或坝上游有天然的不透水层可利用的情况。坝基为透水性很大的砂砾层或渗透稳定性很差的粉细砂时,则不宜采用铺盖;高坝由于水头大,铺盖的防渗效果也不显著。

3.混凝土防渗墙

在坝体防渗体下的透水层中用钻机打孔成槽,用黏土浆固壁,在槽中浇注水下混凝土,沿坝轴方向分段施工,最终使槽中混凝土连成整体地下混凝土墙,以阻截坝基中渗流。我国目前常用冲击钻打孔、成槽。

4.灌浆帷幕

在坝的防渗体下钻孔,孔中置灌浆管,用压力将水泥浆或黏土浆灌压入砂砾的孔隙中,胶凝土粒而成防渗帷幕。

土石坝排水设施

土坝防渗体能有效地减少渗流,但不能完全截断渗流。土石坝渗流控制的基本原则是阻滞与疏导相结合,排水和反滤是疏导的基本设施。所以,土坝一般还应设置排水设施,作用是控制和引导渗流,进一步降低浸润线位置,加速孔隙水压力消散,减小渗流逸出比降,减小逸出区渗透破坏的可能性,提高下游坝坡的稳定性,并降低下游坝坡含水量以免遭冬季冻胀破坏。排水设施材料,常用块石、碎石、排水管做成,为防止渗流带走坝体、坝基中土粒,土坝的排水设施构造,由排水体和反滤层两部分构成。

(一)坝体排水

坝体排水有以下几种常用的形式。

1.堆石棱体排水

它是在下游坝脚处用块石堆成的棱体。棱体顶宽不小于1.0m,顶面超出下游最高水位的高度,对1级、2级坝不小于1.0m,对3级、4级坝不小于0.5m,而且还应保证浸润线位于下游坝坡面的冻层以下。棱体内坡根据施工条件决定,一般为1∶1.0~1∶1.5,外坡取为1∶1.5~1∶2.0。棱体与坝体以及土质地基之间均应设置反滤层,在棱体上游坡脚处应尽量避免出现锐角。棱体排水是一种可靠的、被广泛采用的排水设施。它可以降低浸润线,防止坝坡冻胀,保护下游坝脚不受尾水淘刷,还有支持坝体增加稳定性的作用。但石料用量大,费用较高,与坝体施工有干扰,检修也较困难。

棱体排水是一种可靠的、被广泛采用的排水设施。它可以降低浸润线,防止坝坡冻胀,保护下游坝脚不受尾水淘刷,还有支持坝体增加稳定性的作用。但石料用量大,费用较高,与坝体施工有干扰,检修也较困难。

2.贴坡式排水

贴坡式排水,又称表面排水 。它是用1~2层堆石或砌石加反滤层直接铺设在下游坝坡表面,不伸入坝体的排水设施。排水顶部需高出浸润线逸出点并高于下游最高水位,对1级、2级坝不小于2.0m,对3级、4级、5级坝不小于1.5m。贴坡排水的厚度应大于当地的冰冻深度。排水底脚应伸入坝基,起到稳定支承作用,还应设置排水沟或排水体,并具有足够的深度,以便在水面结冰后,使冰盖以下有足够的排水过水断面。

3.坝内排水

坝内排水包括褥垫排水层、水平排水层、竖向排水体等。

褥垫排水是沿坝基面平铺的由块石组成的水平排水层、外包反滤层。其伸入坝内的深度一般不超过坝底宽的1/4~1/3,块石层厚约0.4~0.5m,应通过渗流计算确定。排水体倾向下游的纵坡取0.005~0.1。当下游无水时,它比堆石棱体更能有效地降低浸润线,有助于坝基排水,加速软黏土地基的固结,而加大下游坝坡稳定性。所以多用于坝体土料渗透系数较小的土坝(如均质土坝),下游无水或水位很低的情况。主要缺点是建造时往往影响坝体施工,用石料较多;对不均匀沉降的适应性差,易断裂;埋入坝下的部分很难检修;当下游水位高过排水设备时,降低浸润线的效果将显著降低。

4.综合式排水

在实际工程中常根据具体情况,把几种不同形式的排水组合在一起,成为综合式排水,以兼取各种形式的优点。例如:当下游高水位持续时间不长时,为了节省石料,可考虑在正常水位以上用贴坡排水以下用棱体排水;在其他情况,还可采用褥垫排水与棱体排水组合或贴坡、棱体与褥垫排水组合的形式等。

排水设施应具有充分的排水能力,以保证自由地向下游排出全部渗水;同时,能有效地控制渗流,避免坝体和坝基发生渗流破坏。此外,还要便于观测和检修。

(二)坝基排水

坝基排水是在土坝下游坝脚附近布置的排水设施。透水坝基中虽已设置防渗设施,但有些不能截断渗流(如铺盖),有些本身就具有相当大的透水性(如砂砾坝基中的灌浆帷幕),坝基中仍有一定的渗流量。冲积层地基,往往是多层次且透水性大小不一的地层,当表层为透水性小的土层时,渗流主要是沿透水性大的下卧层流向下游,至坝脚时仍保留相当大的压力水头(称为剩余水头);也可能是单层结构的坝基,因其沉积成因,水平渗透系数远大于垂直渗透系数,也会在坝趾附近存在较大的剩余水头。剩余水头大时会顶穿表层产生渗透破坏,危及坝趾安全并使坝下游附近沼泽化,也会抬高坝内浸润线,对下游坝坡稳定不利。因此,当可能发生上述危害时,必须设置坝基排水减压设施,与坝体、坝基防渗设施共同组成一套完整的土坝防渗系统。坝趾附近的排水减压设施的任务,是把穿过坝基的渗流安全顺利地导出排走。

常用的排水减压设施有:反滤排水沟,排水减压井,反滤排水沟与排水减压井相结合的型式及其他型式。

土石坝材料应用

土工合成材料是以人工合成的聚合物(包括:各种塑料、合成纤维合成橡胶)为原料制成的土工织物和土工膜等产品。土工合成材料具有重量轻、整体性好、产品规格化、强度高、耐腐蚀性强、储运方便、施工简易等优点。应用于土石坝工程可收到节省工程投资,缩短工期的效果。土工合成材料具有防渗、排水、反滤、加筋、隔离、防护等多种功能,是一种很有发展前景的新型坝工建筑材料。随着其日益广泛的应用,产品品种在增加,质量性能不断提高。

(一)土工膜

土工膜产品按其所用原材料分为:高分子聚合物土工膜、沥青土工膜以及由沥青和聚合物复合制成的土工膜。聚合物薄膜所用的聚合物有合成橡胶和塑料两类。合成橡胶薄膜可用尼龙丝布加筋,其抗老化及各种力学性能都较好,但价格比塑料薄膜贵。水利工程上常用的塑料薄膜主要是聚氯乙烯聚乙烯制品,此外,还有各种组合型土工膜,如:聚氯乙烯薄膜两侧用丙纶编织布覆盖,以提高其强度;或是两侧用土工织物覆盖以提高其与垫层的摩擦系数。土工膜的渗透系数一般都在10-8cm/s以下。土工膜早期用于渠道防渗,20世纪60年代后应用于土石坝,在前苏联和法国等欧洲国家应用较多。20世纪80年代以后,我国开始将土工膜应用于一些中、小型工程,并取得了一定的经验。

(二)土工织物

土工织物的原料以丙纶及涤纶为最多,其次是锦纶及其合成纤维。按加工工艺的不同,可分为编织物、有纺织物(机织布)和无纺织物等三种。其中,用途最广的是无纺织物,它的纤维呈不规则或随意排列,用化学黏合、热力黏合、机械黏合等方法制成。其最大优点是强度没有明显的方向性,不像有纺织物沿经线、纬线的强度高,与经线、纬线斜交的方向强度低。土工织物已较普遍地应用于排水反滤系统与护坡垫层。土工织物的渗透系数一般为10-2~10-1cm/s。

我国土石坝设计规范规定:对3级及其以下的低坝,经论证可采用土工织物作为反滤层材料,选用土工织物作反滤层,宜用在易修补的部位,并应按《土工合成材料应用技术规范》(GB 50290)设计。

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