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(yīng)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(jīng)濟(jì)、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(nèi)容,為筑壩提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞土石壩;地基處理;裂縫;成因;控制

中圖分類(lèi)號(hào)TV641文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào) 1007-5739(2009)15-0275-02

土石壩是利用當(dāng)?shù)赝亮?、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(xiàn)代土石壩多由碾壓而成。按筑壩材料、壩內(nèi)的配置又可分為均質(zhì)土壩、分區(qū)壩和人工防滲材料壩。土石壩設(shè)計(jì)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(zhǎng)期安全運(yùn)用和充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益,滿(mǎn)足穩(wěn)定變形、滲流以及規(guī)定的超高等要求。因此,對(duì)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(yīng)力較小,壩體具有一定的適應(yīng)變形的能力,壩體斷面分區(qū)和材料的選擇也具有靈活性。因此,土石壩對(duì)天然地基在強(qiáng)度和變形方面的要求以及處理措施、應(yīng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)等,均可比混凝土壩相對(duì)較低,但防滲要求上則與混凝土壩基本相同。土石壩對(duì)不同的地基有不同的處理方法,著重對(duì)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(duì)于砂卵石地基的處理主要是解決滲流控制問(wèn)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(shè)施及蓋垂等,垂直防滲措施可有效地截?cái)鄩位鶟B流,在技術(shù)條件許可且較經(jīng)濟(jì)合理時(shí),應(yīng)優(yōu)先采用。

1.1.1垂直防滲設(shè)施。垂直防滲設(shè)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(dāng)壩基砂礫石層深度不大時(shí),可開(kāi)挖深槽直達(dá)不透水層或基巖,槽內(nèi)回填黏性土,與壩內(nèi)防滲體連成整體,稱(chēng)之為截水槽。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、防滲效果好、應(yīng)用較廣,適用于砂礫石層深度在15m以?xún)?nèi),最大深度一般不超過(guò)20m。截水槽底寬根據(jù)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(xiàn)的集中滲流,常在基巖上設(shè)置混凝土齒墻或墊座,必要時(shí)還需要進(jìn)行灌漿。

(2)混凝土防滲墻。當(dāng)壩基砂礫石層較深時(shí),采用混凝土防滲墻是經(jīng)濟(jì)而又有效的防滲措施。施工時(shí)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(nèi)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(fēng)化基石,深度不少于0.5~1.0m,墻頂插入防滲體內(nèi)的深度1/10壩高。墻厚一般為0.6~1.3m,多采用0.8m左右?；炷练罎B墻一般適用砂礫石層深度在80m以?xún)?nèi)的情況。

(3)灌漿帷幕。當(dāng)砂礫石層深度很大時(shí),可采用灌漿的方法進(jìn)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(jù)砂礫料的性質(zhì)和級(jí)配,用可灌比和滲透系數(shù)來(lái)判別。根據(jù)反濾原理,一般認(rèn)為M<5時(shí),可灌性很小;M=5~10時(shí),可灌性差;M>10時(shí),可灌水泥黏土漿;M>15時(shí),可灌水泥漿。滲透系數(shù)K>40m/d,可灌水泥黏土漿;K>80m/d時(shí),可灌水泥漿。當(dāng)可灌性不好時(shí),可考慮采用化學(xué)灌漿。砂礫層的帷幕灌漿大多采用水泥黏土漿,它不僅耗費(fèi)水泥量少,比較經(jīng)濟(jì),而且還有漿液性能好、不易深沉、防滲效果好等優(yōu)點(diǎn)。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(shè)計(jì)水頭,J為帷幕容許坡降),對(duì)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(shè)備,可由斜墻、心墻等防滲體或均質(zhì)壩體向上游水平延伸而成。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,防滲可靠,造價(jià)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?cái)酀B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(nèi)。當(dāng)河床透水層很厚時(shí),采用垂直防滲設(shè)施有困難時(shí),可以考慮采用鋪蓋防滲,有時(shí)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(wěn)定性很差的粉細(xì)砂,不宜采用鋪蓋。鋪蓋的滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10-5cm/s,并至少比地基滲透系數(shù)小100倍,鋪蓋長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)地基特性和防滲需要由計(jì)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(hù)層,以防蓄水發(fā)生干裂及運(yùn)用期間的波浪作用和水流沖刷而導(dǎo)致破壞。

1.1.3排水減壓等措施。一般而言,當(dāng)壩下游表層土較薄時(shí),可開(kāi)挖排水溝深入到下部透水層、排水溝底和邊坡設(shè)反濾層;當(dāng)表層土較厚或深部有強(qiáng)透水層時(shí),設(shè)排水減壓井比較有效,有時(shí)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(hù)土之間應(yīng)設(shè)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(qiáng)度低、承截力小。當(dāng)分布范圍不大,埋藏較淺時(shí),一般應(yīng)全部挖除;當(dāng)埋藏較深,分布范圍較廣時(shí),常采用壓重法或采用砂井加速排水固結(jié)。

1.2.2細(xì)砂地基處理。均勻飽和細(xì)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(dāng)厚度不大且接近地面時(shí),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(jīng)濟(jì)。當(dāng)砂層很厚時(shí),可在壩址附近設(shè)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(yōu)的效果。

1.2.3軟黏土和黃土地基處理。軟黏土層較薄時(shí),一般全部挖除,當(dāng)土層較厚時(shí),可用砂換法、振沖器法,或在壩基中設(shè)排水砂井加速軟土固結(jié),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(dāng)、設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中的問(wèn)題,使土石壩產(chǎn)生形態(tài)各異的裂縫,大致可以分為以下幾類(lèi)。

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(jù)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(xiàn)在壩頂,有時(shí)出現(xiàn)于壩坡或壩體內(nèi)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(xiàn)于壩體或岸坡接頭處。三是水平裂縫。水平裂縫多出現(xiàn)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(chǎn)生的裂縫,呈龜裂狀,縱橫交錯(cuò),但深度不大,一般從幾厘米到1m?？p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(duì)土壩的危害性不大。

2.1.3滑坡裂縫。它是壩坡失穩(wěn)以前產(chǎn)生的裂縫。它不是一般的變形縫,而是因滑移土體開(kāi)始發(fā)生位移而出現(xiàn)的裂縫。這種縫多發(fā)生在滑坡頂部,在平面上是成形,方向大致與壩軸線平行?；孪虏柯∑鹛?也可能出現(xiàn)一些細(xì)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(fā)生在水庫(kù)多次蓄水時(shí),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(jì)算壩體應(yīng)力和壓力的大少及分布,根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定的土體強(qiáng)度特性,分析和估計(jì)壩體可能產(chǎn)生裂縫的危險(xiǎn)部位、裂縫的性質(zhì)以及裂縫的幾何參數(shù),據(jù)此采取相應(yīng)的地基處理措施;合理地設(shè)計(jì)土石壩剖面和細(xì)部結(jié)構(gòu);選擇適宜的土料并采用合理的設(shè)計(jì)參數(shù);嚴(yán)格控制施工質(zhì)量,明確運(yùn)行管理上的要求,并精心進(jìn)行管理等。

土石壩一旦出現(xiàn)裂縫,應(yīng)及時(shí)查明性狀進(jìn)行處理。如處理不當(dāng)或不及時(shí),常會(huì)造成壩的失事。國(guó)內(nèi)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(jiǎn)單可行,比較徹底可靠,對(duì)縱向、橫向裂縫均可使用。對(duì)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(shí),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(yōu)含水率的土料,嚴(yán)格分層夯實(shí),并采用灑水刨毛等措施,以保證新老土體結(jié)合良好。

2.2.2灌漿處理。當(dāng)裂縫位于深部或延伸至深部時(shí),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(yīng)采用低壓灌漿,以防產(chǎn)生水力劈裂。

當(dāng)裂縫嚴(yán)重不能用上述方法處理時(shí),可采用泥凝土或黏土防滲墻,從壩頂開(kāi)始,直達(dá)基巖。對(duì)于滑坡裂縫,應(yīng)采用反壓蓋重,加強(qiáng)排水及至放緩壩坡等措施。

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