土石壩設計施工技術研究與應用

李院生

(玉溪市水利工程建設運行管理中心，云南 玉溪 653100)

云南省玉溪市地處滇中腹地，地形以山區(qū)為主，已建成中型水庫17座，小一型水庫115座，小二型水庫803座，小壩塘1530座，其中土石壩占98%[1]。土石壩是我市水庫建設的首選壩型，其原因是土石壩與其他壩型相比有以下優(yōu)勢：①壩位選擇對地形、地質(zhì)條件要求低；②能最大限度的利當?shù)夭牧?，包括開挖過程中的棄料和庫區(qū)土料；③造價經(jīng)濟指標比其他壩型相對較低；④上壩強度可以人為控制，工期保障率高；⑤施工工藝簡單，技術成熟，現(xiàn)場質(zhì)量檢測簡單直觀，質(zhì)量容易控制[2]。

作為基層水利工作者，土石壩技術是必須要掌握的專業(yè)技術之一。本人一直從事土石壩的設計、施工和建設管理，工作中對土石壩技術上的創(chuàng)新進行了研究和探討，形成了一些研究成果，現(xiàn)撰寫成文，以供基層的同行參考。

1 實測水下地形圖為可研報告的重點之一

從玉溪實施的除險加固工程情況來看，2017年前，設計單位基本都沒測水下地形圖，因此施工時放空水庫后實際淤積高程與設計淤積高程相差較大，普遍是設計估算的淤積高程低于實際淤積高程，最后只有在隧洞(涵洞)進口設置“煙筒觜”抬高進口高程，既浪費了投資，又給今后隧洞堵塞后的搶險增加了難度[3]。淤積高程不準，會直接影響整個工程的設計方案，嚴重的可能會導致方案失敗，給國家造成經(jīng)濟損失。隨著高科技的應用和普及，特別是PTK的普及，大大的提高了測量精度，大幅度降低了測量成本和測量難度。目前，采集水下地形點數(shù)據(jù)主要是采用RTK和聲納測深儀來完成，地形成圖采用CASS成圖軟件[4]，測量一個中型水庫的水下地形圖只需要花費2～3萬元，在勘察設計費中占比很小。從2018年開始，我市要求小2型以上水庫的除險加固設計，必須實測水下地形圖，并將實測水下地形圖列為可研報告審查的重點之一。

2 勘察、試驗和計算成果不是唯一依據(jù)

土石壩的壩體、基礎屬于巖土中的非均質(zhì)彈性塑性體，我們用軟件計算基礎承載力和壩坡穩(wěn)定性時假設了很多邊界條件，計算時選取的巖土物理力學指標是通過試驗室驗試得來，勘察資料也只是一孔之見，不能完全反應巖土的真實性能，以上因素決定了計算結果的局限性，有時計算結果只能用于驗證某些經(jīng)驗[5]。目前，壩工技術是一門理論加經(jīng)驗的技藝，勘察、試驗和計算結果與操作者的能力和手段有直接關系，準確性是相對的，其結論是決策的重要技術支撐依據(jù)之一。鑒于土石壩失事會給人民群眾的生命財產(chǎn)帶來無法挽回的損失，而且設計好的壩又不可能按1∶1的模型來驗證計算成果的準確性，建議土石壩設計時將勘察、理論計算結果作為設計的重要依據(jù)，但不能作為唯一依據(jù)，需要結合地形、地質(zhì)和筑壩材料具體分析，借鑒已建工程建設和運行中的經(jīng)驗教訓，通過專家論證后才能最終確定大壩設計方案[6]。

工程案例1：易門岔河水庫，中型，壩高60m，均質(zhì)壩，1980年建成。2004年安全鑒定時，勘察和復勘的結果都是基礎承載力不足，計算結果是大壩自身穩(wěn)定都滿足不了，內(nèi)外壩坡都要培厚放緩，可是1∶1的模型擺在那里運行了多年，通過了無數(shù)次的高水位考驗，大壩安然無恙，計算結果無法解釋大壩的運行現(xiàn)狀，最后通過專家研判，取消了培厚方案，只對大壩進行充填灌漿[7]。

工程案例2：元江章巴水庫，中型，壩高65m，玉溪首座風化料粘土心墻壩。1991年建成，首次蓄水達三分之二時，壩頂軸線位置出現(xiàn)開裂，裂縫長度達50多米(壩項長250m)，裂縫寬度達5cm。出現(xiàn)裂縫后對壩坡的穩(wěn)定性進行了反復演算，結果是安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，查閱施工資料，大壩碾壓密實，施工質(zhì)量沒有問題。后來對大壩進行了鉆探取樣檢查、穩(wěn)定復核，結果都沒有找到問題原因，最后的處理方案是采取增加外壩坡壓腳平臺，平臺底寬30m，頂寬5m，高度20m，并對裂縫進行了回填灌漿處理，以后再沒有出現(xiàn)過裂縫[8]。

3 土石壩設計施工關鍵技術研究與應用

3.1 正確理解和運用心墻防滲控制指標

SL 274—2001《碾壓土石壩設計規(guī)范》規(guī)范中規(guī)定，均質(zhì)壩防滲土料K≤1×10-4cm/s，心墻和斜墻K≤于1×10-5cm/s[9]，規(guī)范中K值指標是現(xiàn)場土料壓實后，現(xiàn)場滲透試驗要達到的防滲指標，而不是室內(nèi)試驗土料要達到的防滲指標，室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗相差1～2個數(shù)量級。設計階段粘土心墻料K值的室內(nèi)試驗值須小于1×10-6cm/s，均質(zhì)壩防滲土料K值的室內(nèi)試驗值須小于1×10-5cm/s；施工階段粘土心墻現(xiàn)場碾壓試驗K值須小于1×10-5cm/s，均質(zhì)壩現(xiàn)場碾壓試驗K值須小于1×10-4cm/s。大壩上部，水壓力減小，粘土心墻K指標可以適當放寬，但不能大于3×10-5cm/s[10]。

3.2 心墻上游的反濾層可用過渡帶代替

反濾層的作用主要用是濾土排水，防止心墻與壩殼的滲透系數(shù)超過1個數(shù)量級后，造成滲流出口處的滲透變形，滲透水將心墻土料帶走，另外是壩殼與心墻在同一時間段內(nèi)沉降量不一致時，利用反濾層的塑性消除或降低心墻沉降時產(chǎn)生的拱效應[11]。在實際工作中，風化料心墻壩的設計，通常是按照堆石壩的設計原理設計的，在心墻的上下游都設置1m寬砂料和1m寬的碎石作為的反濾層來保護心墻。我市的心墻壩絕大部份是風化料心墻壩，通過對近20年來新建的54件小(一)型水庫大壩的沉降實測資料統(tǒng)計，壩高45～60m，沉降量為壩高的0.1%～0.3%。由此可以看出，經(jīng)過重型機械碾壓密實后的風化料心墻壩，心墻和壩殼的沉降量很小，由此得出，對中低土石壩，設計時心墻沉降產(chǎn)生的拱效應可以忽略不計。對于中低壩高的粘土心墻風化料壩，可以取消心墻上游的反慮層，設置K<1×10-4cm/s的全風化料過渡帶，寬度不少于6m，同樣可以達到保護心墻的目的。心墻下游浸潤線以上高程，心墻的滲水很少，發(fā)生滲出口破壞的風險很小，反濾層可以用一層機制混合砂或天然河砂就可達到保護心墻的目的，而且砂的含泥量可以適當放寬。以上的優(yōu)化措施，可以降低工程造價和簡化施工工藝，而且能夠保證工程質(zhì)量。

3.3 特殊地形條件下心墻截槽的設計與施工

心墻截槽的主要作用：一是延長水的滲徑，降低滲透坡降；二是使心墻直接與基巖結觸，避免接觸帶漏水。以下三種特殊地形難于開挖成常規(guī)截槽形狀，為了避免投入太多的費用去開挖截槽，可以根據(jù)實際地形采取相應工程方案，仍然可以達到了降低滲透坡降的目的。

(1)河床基礎截槽時，如果基礎基巖比較完整，就不必再往下開挖截水槽，繼續(xù)挖往往會破壞基巖的完整性，另外截水槽回填時無法用重型機械碾壓，人工夯實密實度往往達不到最佳密實度，可以采取增加心墻底寬來達到延長滲徑的目的。同樣的道理，常規(guī)的混凝土齒墻也沒有必要設置。

(2)截槽位置地形是凸出的山脊時，可采取環(huán)包山脊的形式來達到延長接觸部位滲徑的目的，環(huán)包長度不小于心墻寬度的1.5倍[12]。

(3)當壩軸線與河床軸線不基本正交時，要滿足開挖的截槽成槽狀和截槽縱斷底板開挖線與壩軸線水平正交兩個條件，開挖量會很大，為了節(jié)約投資，兩岸截槽只要開挖到完整基巖，自然形成槽狀就行，沒有必要要求截槽縱斷底板開挖線與壩軸線水平正交[13]。

工程案例分析。華寧矣則河水庫大壩，1992年建成，最大壩高59m，壩軸線長272m，壩頂寬6m，總庫容754萬m3，大壩回填方量為52萬m3，壩型為粘土心墻風化料壩，壩址地形為U型?，F(xiàn)將該工程技術上的創(chuàng)新分析總結如下：

(1)心墻土料為壩址右岸殘坡積層，實驗室K值范圍為2.8×10-8cm/s～4.2×10-7cm/s，施工現(xiàn)場化驗資料K值范圍統(tǒng)計結果為3.88×10-6cm/s～2.93×10-5cm/s，其中：K值大于1×10-5cm/s的是正常蓄水位以上心墻的化驗值，這部分土料含礫較高。從上面的統(tǒng)計資料看出，K值室內(nèi)試驗與現(xiàn)場化驗相差1～2年數(shù)量級。

(2)原設計在心墻上下游分別設置了2層反濾層，一層細砂，一層碎石，含泥量要求小于3%。砂和碎石都要到20km以外去購買，到工地價為每方45元，總方量約23000m3，合計費用104萬元，占大壩費用的15%，為了節(jié)約投資，經(jīng)過充分論證后，取消了上游的反濾層，改為設置6m寬的全強風化混合料過度帶，施工現(xiàn)場化驗資料K值范圍統(tǒng)計結果為2.1×10-5cm/s～9.2×10-5cm/s，滿足小于1×10-4cm/s的要求。下游浸潤以上5m的反濾層由二層改為一層，采用天然級配的河砂，含泥量控制指標為小于6%。設計優(yōu)化后節(jié)約了近一半的費用。

(3)大壩基礎截槽設計時設置截水槽和混凝土齒墻，截水槽位于軸線位置，斷面為長10m，上口寬4m，下口寬2m，深3m，基礎開挖揭露后基巖比較完整，當時考慮，要開挖截水槽需要進行爆破，爆破后往往會破壞基巖的完整性，另外，截水槽回填時重型碾壓機械用不上，只能用人工夯實，壓實度往往達不到防滲要求，而且工期要推遲15天左右，留給搶度汛壩體的時間可能不夠，后經(jīng)論證，取消了截水槽和混凝土齒墻，采取加寬心墻底部寬度來達到延長滲徑的目的，底寬寬度為原設計的1.5倍。

(4)大壩左岸中部截槽位置有10m高的一段，地形是一個凸出的山脊，巖層較為完整，要人工開挖成槽狀(當時沒有挖機)，工程量很大，當時在搶度汛壩體，要開挖成槽工期也不允許，后經(jīng)論證，采取將山脊開挖到基巖，不挖截槽，用粘土把整個山脊環(huán)包山起來，來達到延長接觸部位滲徑的目的，環(huán)包長度為心墻寬度的1.5倍。

(5)右岸坡距壩頂20m這段，軸線位置地形為一偏坡，要按設計開挖線開挖截槽，并滿足截槽縱斷底板開挖線與壩軸線水平正交，靠上游的截槽邊坡開挖深度為4～6m(基巖下3～4.5m)，靠下游的截槽邊坡開挖深度為1～1.5m(已達到基巖)，如果按設計開挖，開挖量較大，后經(jīng)論證，兩岸截槽只要求底板開挖到完整基巖，截槽縱斷面上下游都只開挖1～1.5m，形成槽狀就行，沒有要求截槽縱斷底板開挖線與壩軸線水平正交[14]。

矣則河水庫2016年進行了安全鑒定，鑒定結論為：大壩質(zhì)量較好，壩腳滲水在設計范圍內(nèi)，壩頂沉降量較小，經(jīng)過20多年的安全運行，多次的高水位洪水考驗，未發(fā)現(xiàn)壩體滲水及壩坡塌陷變形現(xiàn)象，大壩能夠安全運行，不需要險險加固。截止2018年，我市進行了安全鑒定的小一型以上水庫共105件，矣則河水庫是唯一件不需要除險加固，能夠正常運行的水庫[15]。

4 結語

作為一名壩工技術人員，首先要有扎實的理論基礎知識，并對土石壩的結構和各部分的功能有較深的理解，靈活運用規(guī)范解決實際問題。我們處在一個科學技術快速發(fā)展的時代，一個鼓勵創(chuàng)新的時代，要樹立創(chuàng)新意識，將創(chuàng)新作為解決疑難問題的重要工具。本文所述技術創(chuàng)新成果在玉溪得到了廣泛的應用，為工程建設節(jié)約了投資。這些實用技術對基層的年輕工程技術人員正確理解土石壩理論和處理土石壩建設過程中的特殊問題有一定的借鑒作用。