關(guān)于土石壩壩基處理評(píng)價(jià)的幾個(gè)問題

任夢(mèng)寧，濮聲榮，李祖仁，呂興民

(機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710043)

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關(guān)于土石壩壩基處理評(píng)價(jià)的幾個(gè)問題

任夢(mèng)寧，濮聲榮，李祖仁，呂興民

(機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710043)

[摘要]通過工程勘察實(shí)例，探討了土石壩壩基土層的密實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)、壩基岸坡處理標(biāo)準(zhǔn)、水平層狀巖石岸坡防滲處理應(yīng)注意的問題，以及土石壩壩基處理值得商榷的意見。其中，在土石壩壩基土層的密實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)中，對(duì)土層的密實(shí)度指標(biāo)的要求并不明確具體，就評(píng)價(jià)土層沉降量值時(shí)，采用土層的壓縮系數(shù)比采用相對(duì)密度的物理量意義更明確，但規(guī)范對(duì)土層的壓縮性指標(biāo)沒有明確要求；在壩基岸坡處理標(biāo)準(zhǔn)中，依據(jù)碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的原則是對(duì)的，且具有實(shí)際意義。但就勘察評(píng)價(jià)而言，如何具體量化操作值得討論。

[關(guān)鍵詞]土石壩；壩基密實(shí)度；壩基防滲；商榷

土石壩對(duì)壩基的要求一般比較寬松，能修重力壩、拱壩的壩址一般能修土石壩。但土石壩也有它自身的特點(diǎn)和要求，就其勘察設(shè)計(jì)水平而言，不比其他壩型低。

碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范(SL274-2001)6.1.1要求[1]：壩基(包括壩頭)處理應(yīng)滿足滲流控制(包括滲透穩(wěn)定和控制滲流量)、靜力和動(dòng)力穩(wěn)定、允許沉降量和不均勻沉降量等方面的要求，保證壩的安全運(yùn)行。

在實(shí)際勘察時(shí)，現(xiàn)有的規(guī)程規(guī)范評(píng)價(jià)上述規(guī)定還存在不少困難，就作者碰到的幾個(gè)問題提出來與大家討論。

1壩基土層的密實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)

在評(píng)價(jià)壩基土層穩(wěn)定和沉降量時(shí)，對(duì)土層的密實(shí)度指標(biāo)的要求并不明確具體。當(dāng)有抗震要求時(shí)，評(píng)價(jià)砂基液化[2]，根據(jù)場(chǎng)地地震烈度大小，對(duì)土層的相對(duì)密度(D)有相應(yīng)的要求，如地震烈度為8、9度時(shí)，則要求壩基土層的相對(duì)密度(D)達(dá)到0.75、0.85。若沒有抗震要求，對(duì)土層密實(shí)度如何評(píng)價(jià)，沒有相應(yīng)要求。

規(guī)范規(guī)定[1]：“處理的標(biāo)準(zhǔn)與要求應(yīng)根據(jù)具體情況在設(shè)計(jì)中確定。竣工后的壩頂沉降量不宜大于壩高的1%。對(duì)于特殊土的壩基，允許總沉降量視具體情況確定?！?/p>

在這里對(duì)壩基土層的密實(shí)度似乎有一個(gè)量化指標(biāo)，但仔細(xì)一想，它還是一個(gè)不定值，沉降與壩高(附加應(yīng)力)有一定的關(guān)系，即高壩允許土層有較大的沉降。就評(píng)價(jià)土層沉降量值時(shí)，采用土層的壓縮系數(shù)比采用相對(duì)密度的物理量意義更明確，但規(guī)范對(duì)土層的壓縮性指標(biāo)沒有明確要求。下面舉兩個(gè)實(shí)例。

陜北橫山縣有個(gè)王圪堵水庫[3]，就是一個(gè)很好的例證。該水庫位于無定河中游，以供水、攔沙為主，總庫容3.89億 m3，均質(zhì)土壩，最大壩高46 m，壩長(zhǎng)1 162 m。工程區(qū)位于鄂爾多斯盆地中心，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定，地震基本烈度小于6度，地震動(dòng)峰值加速度α=0.039 g。壩基地層為侏羅系砂泥巖互層結(jié)構(gòu)，近水平層狀分布，斷裂不發(fā)育。河床分布細(xì)砂層，厚8～13 m，平均干密度1.58 g/cm3，相對(duì)密度D為0.44～0.73，壓縮系數(shù)α1-2=0.1 Mpa-1，壓縮模量E1-2=27.63 Mpa，飽和慢剪φ=31.3°，J允=0.14，滲透系數(shù)K=3.35×10-2cm/s，該砂層屬中密，低壓縮性，較強(qiáng)透水層。設(shè)計(jì)對(duì)河床細(xì)砂層進(jìn)行混凝土防滲墻防滲，墻厚0.8 m，嵌入基巖深度不小于2 m，基本截?cái)鄰?qiáng)風(fēng)化巖石。

設(shè)計(jì)對(duì)細(xì)砂層要進(jìn)行振沖壓密處理，理由是砂層相對(duì)密度D達(dá)不到0.7～0.8。項(xiàng)建、可研審查都同意對(duì)其處理。省發(fā)改委初設(shè)審查邀請(qǐng)多位水利專家參加，其中有專家認(rèn)為不必進(jìn)行處理。理由是：(1)本區(qū)地震烈度低，可不考慮砂基液化問題；(2)砂層較密實(shí)，壓縮系數(shù)小，為低壓密土，采用相對(duì)密度D=0.7～0.8，根據(jù)不足；(3)大壩為均質(zhì)土壩，且不高，砂層較均質(zhì)，厚度較均一，能適應(yīng)較大變形；(4)對(duì)砂層已做混凝土防滲墻，只需在壩腳部位做好反濾防滲，即可保證砂層的滲透穩(wěn)定，從而能保證大壩穩(wěn)定。

專家組經(jīng)討論后，同意該意見，對(duì)砂層未進(jìn)行振沖處理。施工時(shí)，僅對(duì)表層2～3 m松散及含腐殖質(zhì)予以清除，采取施工降水后用40t振動(dòng)碾碾壓壓實(shí)。該大壩已建成蓄水近三年，經(jīng)監(jiān)測(cè)大壩變形及滲漏正常。

另一例為新疆下坂地水庫的壩基勘察評(píng)價(jià)[4]。下坂地水庫庫容8.67億 m3，大壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩，壩高78 m，電站裝機(jī)150 MW。該工程地質(zhì)條件復(fù)雜，位于帕米爾高原，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震基本烈度為8度(設(shè)防烈度9度)，壩肩兩岸邊坡高500～800 m，河床覆蓋層厚150 m，為Q4～Q3堆積層，成因、巖性復(fù)雜，如下圖1、表1。

河床松散堆積層既有冰磧、冰水堆積、崩積層，還有由堰塞湖形成的湖積淤泥軟土、砂層，河床表部還有沖積洪積砂礫石層。深厚覆蓋層最主要的問題是滲漏及滲透穩(wěn)定問題，故大壩采取了上為垂直防滲墻(深85 m)，下接4排灌漿孔的防滲帷幕(圖2)。

對(duì)表部松散巖層設(shè)計(jì)采取振沖加密處理，由于堆積層夾有崩積的大塊石而振沖不下去。根據(jù)補(bǔ)充勘探試驗(yàn)工作，堆積層的密實(shí)度和力學(xué)特性差異甚大，砂礫石層的相對(duì)密度一般為0.5～0.7，最小僅0.27。最后決定對(duì)全部淤泥軟土、粉細(xì)砂層及7m內(nèi)的過于松散的砂礫石層予以挖除，對(duì)下部砂礫石層(D≈0.5～0.7)再不作處理。

對(duì)這種放寬處理標(biāo)準(zhǔn)的決定，是考慮該壩型特征：該壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩，可以允許壩基砂礫石層有較大壓縮變形而不危及大壩穩(wěn)定和破壞防滲結(jié)構(gòu)(心墻)。該大壩已建成，高水位運(yùn)行已4年，監(jiān)測(cè)大壩變形正常。

表1　壩基第四系地層滲透系數(shù)成果匯總表

圖1　壩基各類型覆蓋層分層示意剖面圖

圖2　防滲設(shè)計(jì)圖

2壩基岸坡處理標(biāo)準(zhǔn)

碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范, 7.1.1規(guī)定[1]：壩體與壩基及岸坡的連接必須要妥善設(shè)計(jì)和處理。連接面不應(yīng)發(fā)生水力劈裂和鄰近接觸面巖石大量漏水，不得形成影響壩體穩(wěn)定的軟弱層面，不應(yīng)由于岸坡形狀或坡度不當(dāng)引起不均勻沉降而導(dǎo)致壩體裂縫(應(yīng)符合反濾要求，如不符合應(yīng)設(shè)置反濾層)。在7.1.4規(guī)定：與土質(zhì)防滲體連接的岸坡的開挖應(yīng)符合：巖石岸坡不宜陡于1:0.5，土質(zhì)岸坡不宜陡于1:1.5。

上述兩條規(guī)定的原則是對(duì)的，且具有實(shí)際意義。但就勘察評(píng)價(jià)而言，如何具體量化操作值得討論。

陜西浠河水庫大壩為高30 m的均質(zhì)土壩，1963年3月發(fā)生垮壩事件，作者第二天奉命到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，垮壩原因有二：黃土岸坡呈直立狀，未削坡，黃土垂直節(jié)理和岸坡卸荷裂隙發(fā)育，可以見到滲水在裂隙中射出，挑距達(dá)二三十厘米；壩體沿岸坡沖出一個(gè)大洞，壩體土層松軟，碾壓不實(shí)。因此滲漏沿岸坡接觸帶發(fā)生接觸沖刷、流土而導(dǎo)致垮壩。

在六十年代，作者常常聽到這樣的話：“十壩九裂”，“哪有土壩不發(fā)生裂縫的？！”認(rèn)為土壩發(fā)生裂縫是正?，F(xiàn)象，作者不敢茍同。壩體出現(xiàn)裂縫是壩體沉降量過大或不均勻沉降所致，而此除壩體本身原因外，與壩基沒有很好處理，主要還與岸坡過陡和壩體與岸坡接觸部位碾壓不實(shí)有關(guān)。就作者調(diào)查了解的情況，當(dāng)岸坡陡于1:1，特別是巖質(zhì)岸坡，在兩壩肩部位易發(fā)生橫向裂縫，有時(shí)會(huì)貫通壩體上下游。如陜西馮家山、石堡川、段家峽、王瑤、紅莊水庫等由于巖質(zhì)岸坡過陡而在施工過程中和竣工后，壩體發(fā)生多處裂縫。

修訂規(guī)范把巖質(zhì)岸坡由原規(guī)范的1:0.7提高至1:0.5，論據(jù)不充分。在條文說明中列舉了國(guó)內(nèi)外25座壩的岸坡資料，其中中國(guó)4個(gè)：小浪底為1:0.74，石頭河為1:0.75～1:1，碧口為1:0.75(局部為1:0.5)，密云白河主壩右岸為1:0.75，左岸為1:0.5。國(guó)外的岸坡一般較陡，但也有幾座壩的岸坡為1:1左右。

應(yīng)該指出，這些岸坡都是心墻防滲體與岸坡的結(jié)合坡比，而不是均質(zhì)土壩與岸坡結(jié)合的坡比。其次，很多防滲體用的是礫(碎)石土，有較高的變形適應(yīng)性和強(qiáng)度，而黃土一般不耐沖刷，且塑性偏低，適應(yīng)變形能力較差，易發(fā)生裂縫。所以，以黃土作為壩料筑成的均質(zhì)土壩，其岸坡陡于1:1是不合適的。相反，規(guī)范規(guī)定土質(zhì)岸坡坡比為1:1.5，有點(diǎn)過緩，致使岸坡處理工程量過大，沒有必要。因土坡與壩體土層性質(zhì)相近，不像巖石與土層的強(qiáng)度差異那么大，因而土質(zhì)邊坡坡比為1:1是合適的。

3水平層狀巖石岸坡防滲問題

在陜西延安、榆林地區(qū)，由于區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定，地層常呈水平層狀結(jié)構(gòu)分布，且往往呈砂頁(泥)巖互層狀。砂巖孔隙率高，其間常發(fā)于X狀高角度張裂隙，成為中、強(qiáng)透水層，需做防滲處理；而頁(泥)巖質(zhì)軟，弱透水，未風(fēng)化時(shí)可視為相對(duì)隔水層。當(dāng)這套地層分布于水庫大壩兩岸時(shí)，常沿砂巖形成繞壩滲漏；當(dāng)庫岸形成單薄分水嶺時(shí)，會(huì)發(fā)生鄰谷滲漏。

這種滲漏常表現(xiàn)如下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)滲徑較長(zhǎng)，滲漏延伸較遠(yuǎn)；(2)沿層間滲漏，滲流多表現(xiàn)承壓性質(zhì)；(3)滲流對(duì)壩體土層具沖刷性，沿岸坡接觸帶易發(fā)生流土，造成壩體滲流出逸點(diǎn)高；(4)如發(fā)生鄰谷滲漏，表現(xiàn)滲漏的多層性，常導(dǎo)致鄰谷邊坡的不穩(wěn)定；(5)處理不易。

由于岸坡(單薄分水嶺)地段風(fēng)化卸荷作用強(qiáng)烈，沿岸坡高角度裂隙發(fā)育，巖體滲漏性強(qiáng)，而與水平狀砂巖強(qiáng)透水層相聯(lián)，構(gòu)成良好的滲漏通道，這兩者又與水庫互相勾通，從而造成繞壩滲漏和鄰谷滲漏嚴(yán)重，并危及大壩安全。

紅莊水庫[5]土壩高50 m，壩基為侏羅系砂泥巖，巖石近水平狀，左岸為一單薄山梁。大壩建成即開始蓄水半庫(水深30 m)，發(fā)生壩基滲漏，繞壩滲漏和左岸鄰谷滲漏。壩后滲徑較長(zhǎng)，岸坡及壩坡滲流出逸點(diǎn)較高，成多層多點(diǎn)滲出，流量較大。在左岸分水嶺另一邊，也成多層多點(diǎn)滲出，致使邊坡發(fā)生淺層滑動(dòng)，邊坡坡腳居民房屋出現(xiàn)滲漏點(diǎn)和浸沒現(xiàn)象，房屋也發(fā)生變形，迫使居民搬遷。

發(fā)生滲漏后，水庫主管部門就安排灌漿防滲處理，左壩肩的灌漿帷幕由一排增加為兩排，孔距由2 m增密為1 m，有的地段甚至為0.5 m，但灌漿效果不好。究其原因，一是灌漿孔為90°直孔，穿透巖石中的垂直裂隙機(jī)率少，而岸坡未能很好削坡處理；二是水庫已蓄水，且水位較高，但灌漿工藝還是按水灰比8:1、5:1進(jìn)行灌注，施工是“包工不包料”，花錢很多，收效甚微。

主管部門邀請(qǐng)水利專家去現(xiàn)場(chǎng)了解到上述情況后，提出了如下意見：(1)首先由管理局直接管理施工隊(duì)伍，嚴(yán)格按灌漿設(shè)計(jì)和施工規(guī)范施工；(2)改直孔為60°斜孔(斜向岸里)；(3)灌穩(wěn)定漿液(濃漿)；(4)控制凝固時(shí)間，視必要加速凝劑；(5)在壩體與岸坡結(jié)合處與壩坡腳增做反濾體，以防滲透變形。經(jīng)過近3個(gè)月的灌漿處理，效果顯著，壩基和繞壩滲漏基本得到控制，但鄰谷滲漏因防滲帷幕長(zhǎng)度不足未能根本改善。

4值得商榷的意見

1)目前土石壩可以分為混凝土面板(堆石壩)砂礫石壩、心墻(或斜墻)堆石壩和均質(zhì)土壩三大類。這三種壩型對(duì)壩基巖(土)層的要求是不同的，甚至同一壩型的不同部位對(duì)壩基要求可以不一樣。規(guī)范對(duì)此并未有明確的界定和量化指標(biāo)。例如，在沒有地震設(shè)防(<7°)情況下，壩基土層如何評(píng)價(jià)？心墻堆石壩特別是瀝青心墻堆石壩的壩基土層是否可以放寬到中密狀態(tài)(D=0.33～0.66)，不一定按混凝土面板堆石壩上游坡(面板)壩基的要求(0.75～0.85)。

2)對(duì)岸坡的處理應(yīng)嚴(yán)格遵守土石壩規(guī)范7.1.7的規(guī)定要求。特別是均質(zhì)土壩，不論是巖質(zhì)岸坡或是土質(zhì)岸坡都應(yīng)按≤1:1坡比進(jìn)行處理，對(duì)土質(zhì)邊坡在驗(yàn)算天然狀態(tài)下(施工期)1:1能穩(wěn)定的情況下，沒有必要削成1:1.5的緩坡。并應(yīng)加強(qiáng)壩體與岸坡接觸帶的碾壓強(qiáng)度，提高壩體密實(shí)度，減少沉降差，防止產(chǎn)生裂縫。

3)對(duì)于水平層狀砂泥巖岸坡的防滲及防止?jié)B漏對(duì)壩體的滲透變形，要做到如下幾點(diǎn)：

(1)對(duì)岸坡要嚴(yán)格削坡，盡可能挖除強(qiáng)風(fēng)化卸荷松動(dòng)巖石，岸坡坡比要≤1:1；

(2)對(duì)削好的邊坡進(jìn)行砂漿噴護(hù)；

(3)與坡體接觸帶要鋪設(shè)反濾層，在壩腳處做好反濾體。

(4)沿壩軸線往壩肩的防滲帷幕要有足夠的長(zhǎng)度，使繞壩滲流超過大壩下游坡腳，不影響壩體浸潤(rùn)線抬高。

(5)帷幕灌漿孔改直孔為斜孔(向岸里斜60°左右)，使灌漿孔能穿透更多的高角度裂隙，提高灌漿效果。

4)對(duì)均質(zhì)土壩壩基土層的密實(shí)度評(píng)價(jià)指標(biāo)，建議不用相對(duì)密度(D)改用壓縮性指標(biāo)(壓縮系數(shù)、壓縮模量)。

對(duì)粗粒土而言，天然干密度在野外挖探井取樣求得，后兩項(xiàng)指標(biāo)由室內(nèi)試驗(yàn)求得。野外試驗(yàn)一般在地下水位以上表層淺井求得，遇到地下水就較難了。河床表層土層往往堆積固結(jié)時(shí)間短，上部荷重小，必然較疏松，密度低。因此，它并不能代表下部土層的真實(shí)密度。也就是說，下部土層的相對(duì)密度一般要比上部土層大。

用土層壓縮性指標(biāo)評(píng)價(jià)其物理意義更為明確，也便于試驗(yàn)評(píng)價(jià)。對(duì)細(xì)粒土而言也只有用壓縮性指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社.

[2]水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社.

[3]孫利軍，劉曉為.榆林市王圪堵水利樞紐工程地質(zhì)勘察報(bào)告初步設(shè)計(jì)階段[R].咸陽：陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院.2009.

[4]宋文博，吉衛(wèi)東，等.新疆下坂地水利樞紐工程地質(zhì)勘察報(bào)告(初步設(shè)計(jì)階段)[R].咸陽：陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院.2004.

[5]任夢(mèng)寧.延安市紅莊水庫水利樞紐工程地質(zhì)勘察報(bào)告(初步設(shè)計(jì)階段)[R].咸陽：陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院.2005.

[收稿日期]2015-12-12

[作者簡(jiǎn)介]任夢(mèng)寧(1966-)，男，陜西西安人，高級(jí)工程師，主要從事工程地質(zhì)工作。

[中圖分類號(hào)]TV641

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)01-0124-03