淺談碾壓式土石壩結構及施工的幾個問題

淺談碾壓式土石壩結構及施工的幾個問題

王文忠

（深圳市廣水建設工程有限公司，項目總工程師、教授級高級工程師）

【摘  要】簡述碾壓式土石壩的類型，并以深圳清林徑引水調蓄工程1號、2號壩為例，闡述土質防滲分區、壩各部分的功能，及在大壩填筑施工中幾個值得探討的問題。

【關鍵詞】碾壓式土石壩；結構及功能；碾壓試驗；土料不均勻性；挖填平衡

  土石壩是指由土、石料等當地材料填筑而成的壩，是歷史最為悠久的一種壩型，是世界壩工建設中應用最為廣泛和發展最快的一種壩型。據不完全統計，我國興建的各種類型的壩共8.48萬座，其中95%以上為土石壩。21世紀我國水利水電事業進入大發展時期，一大批水利水電工程將在長江、黃河、珠江等河流的中上游及其支流上開工建設。因此，我國十分重視推廣和發展土石壩的建設。

1、土石壩的類型

   土石壩按壩高可分為：低壩、中壩和高壩。高度在30m以下的為低壩；高度在30-70m之間為中壩，高度超過70m的為高壩。

   土石壩按施工方法可分為：碾壓式土石壩、沖填式土石壩、水中填土壩和定向爆破土石壩，應用最廣泛的是碾壓式土石壩。

按土料在壩身內的配置和防滲體所用的材料的種類，碾壓式土石壩可分為：

（1）均質壩：壩體主要為一種土料組成，同時起防滲和穩定作用。

（2）土質防滲體分區壩：由相對不透水或弱透水土料構成壩的防滲體，而以透水性較強的土石料組成壩殼或下游的支撐體。又可分為心墻壩、斜墻壩、斜心墻壩。

（3）非土質材料防滲體壩：以混凝土、瀝青砼或土工膜作為防滲體，壩的其余部分用土石料填筑。

2、土石壩的結構及各部分功能

                   現以深圳清林徑引水調蓄工程的1號、2號壩為例，簡單講述大壩的結構及各部分的功能。

　　             清林徑水庫大壩采用的是我國最常用的一種土石壩形式。

2.1大壩地下防滲結構（壩基處理）

（1）帷幕灌漿

根據規范對巖石壩基帷幕的底部深入相對不透水層應不小于5m。帷幕應以基巖的透水率控制，1級、2級壩及高壩灌后基巖的透水率宜為2～3Lu；3級及其以下的壩透水率宜為5～10Lu。清林徑水庫壩基為巖石其透水率設計值為3Lu。

（2）在灌漿帷幕之上，清林徑水庫土壩壩基還設計了砼防滲墻。防滲墻根據規范：砼防滲墻頂應做成光滑的楔形，插入土質防滲體高度宜為1/10壩高。砼防滲墻除應具有的強度外，還應有足夠的抗滲性。清林徑1、2號壩防滲墻厚1500px，采用C20砼，抗滲標號為W8，墻頂設含水率大于最優含水率的高塑性土區。

大壩壩基設立灌漿帷幕和砼防滲墻，最大限度地截住了大壩壩基的滲流量。控制了滲透的穩定，保證了大壩的安全運行。

2.2大壩的（地上）結構

（1）粘土防滲心墻

粘土防滲心墻是大壩的防滲體，能將滲透坡降、下游壩體浸潤線及滲流量降低到容許范圍內。根據規范要求，  用于填筑防滲體的礫石土粒徑大于5mm的顆粒含量不宜超過50%，

最大粒徑不宜大于150mm或鋪層厚度的2/3。粒徑0.075mm以下的顆粒含量不大于15%，且粒徑＜0.005mm的顆粒含量不宜小于8%。要求壓實后，滲透系數＜1x10^-5cm/s。對1級、2級或高壩，壓實度≥98%。

（2）砂反濾層及砂礫過濾層

反濾料排水及過渡料層是大壩排水和防止大壩滲透變形的安全設施。規范規定：土質防滲體與壩殼和壩基透水層之間以及下游滲流逸出處，如不滿足反濾要求，均必須設置反濾層。

清林徑水庫大壩設置了壩體內排水，包括豎向排水和水平排水。經過砂反濾層和砂礫石過渡層將水排至堆石棱體，由排水溝引入下游。砂反濾層和砂礫過渡層技術要求：①級配要求，砂反濾層粒徑為0.075-20mm，砂礫石過渡層粒徑為1-80mm；② 0.1mm粒徑含量應小于5%；③滲透系數大于5.8×10^-3cm/s；④粒徑堅固無片狀；⑤壓實后的相對密度反濾層≥0.70，過濾層≥0.75。

（3）強風化壩殼體

   清林徑大壩壩殼是根據大壩附近料場實際情況，選用當地大量儲存的強風化料為壩殼料，組成上下游大壩的支撐體。維持大壩的穩定，保證大壩安全運行。

對強風化料的技術要求：一般采用能夠壓碎的強風化料，不能壓碎的宜填筑在壩殼的干燥區，壓實度≥98%。

（4）堆石排水棱體

清林徑大壩排水設計主要采用的是堆石排水棱體。大壩在運行過程中，總會有少量的水排向下游，這對土石壩是允許的，關鍵是要控制大壩的防滲體不要發生滲透變形，如發生管涌和流土的情況。滲水通過反濾層從排水棱體中排出，也是大壩穩定和安全的保證。

堆石料的技術要求：①石料質地致密；②抗壓強度大于60Mpa，強化系數大于0.8；③粒徑在15-800mm之間；④粒徑小于5mm的石料含量不大于5%；⑤壓實后的孔隙率為20%-28%。

3、施工中的幾個問題的探討

3.1有關碾壓試驗選擇的季節問題

根據施工規范，碾壓試驗是填筑準備工作的關鍵。通過清林徑大壩碾壓試驗工作，總結出這樣的經驗：碾壓試驗一定安排在旱季進行。因為碾壓試驗的一個關鍵指標是土體的含水率應控制在最優含水率-2%~3%之間，碾壓試驗一般都是采用天然含水率做試驗。在雨季，

土料的天然含水率一般都超過最優含水率5個百分點，所以碾壓試驗往往不能通過。在雨季，

將含水率控制在最佳含水率范圍內費工費時，很難實際操作，所以建議大壩填筑碾壓試驗應該安排在旱季進行。

3.2  有關土料不均勻性問題

      深圳地區如清林徑水庫周圍土料分布及土料風化程度極不均勻。清林徑一號料場1—3區域一個取樣地段（10m×20m）取5個土樣進行物理力學試驗，其結果相差甚遠。詳見清林徑二標1號料場1—3區同一地段土的物理力學性質試驗成果表。

注：5個取樣點在10m*20m范圍內；序于4、5凡空白處為該點土樣為進行該項目試驗。

從上表明顯看出在一個10m×20m范圍的地段內，5個土樣試驗結果相差甚遠，充分證明土料的不均勻性。由于土料的不均勻性，給施工造成較大的困難，所以我們應向業主提出這些困難，增加一些因土料不均勻性而產生的費用。

3.3  土料的不均勻性怎樣使用碾壓試驗成果的問題

清林徑大壩填筑，首先遇到的問題就是填筑心墻壩的土料問題。按施工規范要求，土料

的填筑應嚴格按碾壓試驗的碾壓參數執行。如果按規范，我們將無法操作，因為土料極

不均勻，在實際施工中我們不可能對不均勻的土料都做試驗。所以只能按土料擊實試驗干密度分1.6g/cm³、1.7g/cm³、1.8g/cm³等幾個檔次，在實際填筑碾壓中分別取土的干密度對照碾壓試驗的成果參考執行。

3.4  合理利用土方挖填平衡問題

   大壩填筑過程中，如果開挖的土料符合大壩的填筑要求，盡可能地用于大壩填筑。所以，應周密地對開挖地段的土料進行分析和規劃。