土石壩排水設(shè)計(jì)分析

吳奇明

(江西省贛西土木工程勘測設(shè)計(jì)院，江西 宜春336000)

0 引 言

土石壩主要由壩址附近的土石料填筑壓實(shí)而成，而土石料為散粒體結(jié)構(gòu)，壓實(shí)后其顆粒間仍存在著大量的孔隙，具有一定的透水性。為及時(shí)排出壩體內(nèi)土石料顆粒間的孔隙水，需設(shè)置壩體排水;同時(shí)，為防止壩表面土石料顆粒受雨水形成的水流沖刷造成水土流失，需設(shè)置壩面排水。因此，土石壩排水包括壩體排水和壩面排水。

1 壩體排水

當(dāng)土石壩擋水時(shí)，在上下游水位差的作用下，庫水通過壩體和壩基覆蓋層的孔隙向下游滲透。為了降低土石壩浸潤線和滲透坡降，防止土石壩滲透變形，減少滲漏流量，土石壩壩體內(nèi)常設(shè)有專門的防滲體以攔截滲透水。

本文以防滲體上游側(cè)為壩體上游，防滲體下游側(cè)為壩體下游。當(dāng)庫水向下游滲透時(shí)，穿過防滲體的壩體下游滲透水主要通過排水反濾體排向下游;當(dāng)庫水位下降時(shí)，未穿過防滲體的壩體上游滲透水主要通過護(hù)坡排水孔排回庫區(qū)。

1.1 壩體下游排水及反濾

1.1.1 幾種不同類型壩體排水

壩體下游排水主要有棱體排水、貼坡排水、褥墊排水及綜合型排水等，其中棱體排水和貼坡排水較多應(yīng)用于近年江西省中小型水庫除險(xiǎn)加固工程中。

1.1.1.1 棱體排水(又稱濾水壩趾)

棱體排水是在下游壩腳處用塊石堆砌而成的棱體狀排水設(shè)施。它能有效降低壩體下游浸潤線，排水效果較好。但因石料用量較大，造價(jià)較高，且棱體多伸入壩體內(nèi)，維修較困難。如圖1 為棱體排水。

圖1 棱體排水結(jié)構(gòu)圖

1.1.1.2 貼坡排水(又稱表面排水)

貼坡排水是在下游壩坡底部表面用塊石、卵石等分層鋪設(shè)而成的一種排水設(shè)施。貼坡頂部宜高出浸潤線出逸點(diǎn)1.5 m以上，排水的厚度應(yīng)大于當(dāng)?shù)氐谋鶅錾疃?。貼坡排水不能降低壩體浸潤線，但因貼坡排水構(gòu)造簡單，石料用量不大，造價(jià)較省，且貼坡位于壩坡表面，施工方便，維修簡單。當(dāng)壩體設(shè)有防滲墻，壩內(nèi)浸潤線位置不高，常采用貼坡排水。如圖2 為貼坡排水。

圖2 貼坡排水結(jié)構(gòu)圖

1.1.1.3 褥墊排水

褥墊排水是沿下游壩基面伸入壩體內(nèi)部由塊石組成并外包反濾層的一種平鋪式排水設(shè)施。當(dāng)下游無水時(shí)，它能有效地降低浸潤線，有助于壩基排水，但對壩基不均勻沉降的適應(yīng)性差，易斷裂，且維修困難。如圖3 為褥墊排水。

圖3 褥墊排水結(jié)構(gòu)圖

1.1.1.4 綜合型排水

綜合型排水是將上述幾種排水設(shè)施組合而成的一種排水設(shè)施。如圖4 為棱體排水和貼坡排水組合而成。

圖4 棱體排水和貼坡排水結(jié)構(gòu)圖

1.1.2 反濾層

為防止壩體和壩基土在滲流出口處發(fā)生管涌、流土等滲透變形，下游滲流出逸處須設(shè)置反濾層。反濾層一般由1 ～3 層不同粒徑的透水性材料(如砂石料)鋪筑而成，其粒徑沿滲流方向由細(xì)到粗，層次大體與滲流方向正交。

反濾層必須滿足如下要求:

1)能通暢地排出壩體內(nèi)滲透水流。

2)保護(hù)壩體及壩基土不發(fā)生滲透變形。

3)不致被帶出的細(xì)粒土淤塞而失效［1］。

如圖1 ～圖4 在滲透水進(jìn)入排水體處均設(shè)置了反濾層。

1.2 壩體上游排水

為保護(hù)上游壩面免受波浪淘刷、順坡水流沖刷和冰凍等危害，上游壩面常設(shè)置護(hù)坡。常見上游護(hù)坡型式有干砌或漿砌石護(hù)坡、現(xiàn)澆或預(yù)制混凝土或鋼筋混凝土護(hù)坡等。

在庫水位降落情況下，壩體防滲墻上游孔隙水將排回上游庫區(qū)，因此當(dāng)采用漿砌石護(hù)坡、預(yù)制或現(xiàn)澆混凝土、鋼筋混凝土等護(hù)坡時(shí)應(yīng)預(yù)留排水孔，排水孔底設(shè)置土工布和反濾墊層。

2 壩面排水

壩面排水主要是排下游壩面及壩頂?shù)挠晁?，壩面排水?yīng)與壩體排水分離排出。

2.1 下游壩面排水

土石壩下游壩面一般多采用草皮護(hù)坡，為防止雨水對下游壩面沖刷而形成雨淋溝，根據(jù)規(guī)范要求，需在下游壩面設(shè)置互連且貫通的縱橫向排水溝和岸坡排水溝?？v向排水溝一般布置于排水反濾體頂部及馬道內(nèi)側(cè);橫向排水溝宜每50 ～100 m設(shè)置一條;岸坡排水溝則沿土石壩壩坡與山體岸坡的連接處設(shè)置，以防止山體坡面上的雨水沖刷壩面。排水溝宜用混凝土現(xiàn)場澆筑或漿砌石砌筑，其寬度和深度根據(jù)集水面積確定，為方便清淤，斷面一般≥30 cm×30 cm。

2.2 壩頂排水

為了排除壩頂降雨積水，壩頂面應(yīng)做成向一側(cè)或兩側(cè)傾斜的橫向坡度，坡度宜采用2% ～3%。若壩頂設(shè)有防浪墻，則常采用向下游一側(cè)傾斜的橫坡。壩頂向下游傾斜可利用下游壩面排水系統(tǒng)匯集徑流。

3 工程實(shí)例

3.1 工程基本情況

江西省宜春市某水庫總庫容225 萬m3，為一座小(1)型水庫。樞紐主要建筑物有大壩、溢洪道和壩下涵管等。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂長80 m，寬4 m，最大壩高13.3 m。本工程等別為Ⅳ等，大壩為4 級建筑物，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用30 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用300 a一遇。

3.2 大壩存在的主要問題

根據(jù)現(xiàn)場檢查，主要存在以下問題:

1)大壩上、下游無護(hù)坡，下游壩坡無排水設(shè)施，壩面沖刷嚴(yán)重，局部坍塌。

2)下游壩腳無排水反濾。

3)下游壩腳長年濕潤，且發(fā)現(xiàn)多處集中滲漏點(diǎn)。根據(jù)地質(zhì)勘探與復(fù)核計(jì)算:大壩存在壩體滲漏及壩體與壩基接觸滲漏問題;大壩壩頂高程不滿足要求。

3.3 大壩加固設(shè)計(jì)內(nèi)容

針對大壩存在的問題，大壩加固設(shè)計(jì)主要內(nèi)容有:沖抓套井回填黏土防滲墻防滲;上游壩坡C15 混凝土預(yù)制塊護(hù)坡;壩頂防浪墻及混凝土路面;下游壩坡草皮護(hù)坡及壩面排水系統(tǒng);壩腳貼坡排水及大壩安全監(jiān)測等(大壩加固橫斷面圖見圖5)。以下重點(diǎn)說明與大壩排水有關(guān)的加固設(shè)計(jì)內(nèi)容。

圖5 大壩加固橫斷面圖

3.3.1 壩體排水及反濾設(shè)計(jì)

考慮大壩采用沖抓套井回填黏土防滲墻防滲后，壩體下游浸潤線得到明顯下降，下游壩腳采用貼坡排水，貼坡排水塊石與壩體土之間設(shè)置砂卵礫石分級反濾層，貼坡排水包括反濾材料共分四層，由內(nèi)至外分別為:第一層10 cm 厚中粗砂墊層(粒徑0.25mm ～2mm，D15 =1.5)，第二層為20cm 厚卵礫石層(粒徑2 ～20 mm，D15 =8)，第三層為20 cm厚碎石層(粒徑20 mm ～40 mm，D15 = 26)，第四層為40 cm塊石層(粒徑200 ～400 mm)。在貼坡下游側(cè)設(shè)有集滲溝，并在集滲溝出口設(shè)置量水設(shè)施以監(jiān)測大壩滲流量。

大壩上游壩面采用C15 混凝土正六邊形預(yù)制塊護(hù)坡，厚0.1 m，邊長0.3 m，下設(shè)0.1 m砂卵石墊層。預(yù)制塊拼接縫上部寬2 cm，采用M10 水泥砂漿勾平縫。為保證在水位降落過程中，壩體內(nèi)滲透水能迅速排出，護(hù)坡設(shè)有φ 50 mm排水孔，排水孔設(shè)置在混凝土預(yù)制塊的中央，縱向間距1.8 m，橫向間距2.08 m，呈梅花型布置。排水孔底設(shè)置400 g/m2反濾土工布一層，尺寸為0.35m×0.35m?；炷令A(yù)制塊護(hù)坡鋪設(shè)圖見圖6。

圖6 混凝土預(yù)制塊護(hù)坡鋪設(shè)圖

3.3.2 壩面排水設(shè)計(jì)

為了滿足壩頂路面排水要求，將壩頂混凝土路面澆筑成向下游傾斜，其傾斜坡度為2%。

為防止下游壩坡雨水集中沖刷而形成雨淋溝，在貼坡排水頂部設(shè)置縱向排水溝，在兩岸設(shè)置岸坡排水溝，均采用現(xiàn)澆C15 混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸均為0.4m×0.4 m，厚0.20 m。

3.4 大壩加固效果

大壩加固實(shí)施后，下游壩腳處大面積散浸現(xiàn)象和多處集中滲漏點(diǎn)已消失，壩容壩貌得到有效改觀。

［1］毛昶熙. 滲流計(jì)算分析與控制［M］. 北京:中國水利水電出版社，2003:21 －24.