土石坝的坝基处理

土石坝底面积大，坝基应力较小，坝身具有一定适应变形的能力，坝身断面分区和材料的选择也具有灵活性，所以，土石坝对天然坝基的强度和变形要求，以及处理措施所达到的标准等，都可以略低于混凝土坝。但是，土石坝坝基的承载力、强度、变形和抗渗能力等条件一般不如混凝土坝，所以，对坝基处理的要求丝毫也不能放松。据国外资料统计，土石坝失事约有40%是由于坝基问题引起的，可见坝基处理的重要性。

坝基处理技术近年来业已取得了很大的进展，从国内外坝工建设的成就来看，很多地质条件不良的坝基，经过适当处理以后，都成功地修建了高土石坝。如：加拿大在深 120m 的覆盖层上采用混凝土防渗墙，修建了高107m 的马尼克3 号坝；埃及则在厚225m 的河床冲积层上，采用水泥粘土灌浆帷幕，修建了高111m 的阿斯旺坝。我国在深厚覆盖层上的防渗技术也已进入国际先进行列。铜街子坝，小浪底坝，防渗墙的深度均达70m 左右。坝基处理的范围包括河床和两岸岸坡。处理的主要要求是：1。控制渗流，减少渗流坡降，避免管涌等有害的渗流变形，控制渗流量；2。保持坝体和坝基的静力和动力稳定，不产生过大的有害变形，不发生明显的均匀沉降，竣工后，坝基和坝体的总沉降量一般不宜大于坝高的1%；3。在保证坝安全运行的条件下节省投资。

岩基处理

岩基处理技术可参见混凝土坝的有关内容，但处理要求则应考虑土石坝的特点。当岩基上的覆盖层较薄时，只需将防渗体座落在岩基上形成截水槽，隔断渗流即可；但对较高的土石坝，从土石坝的坝基处理防渗和稳定安全考虑，有时要挖除较大部分的覆盖层，将防渗体和透水坝壳都建在岩基上。如：努列克坝将心墙部位厚 20m 的覆盖层挖除；奥洛维尔坝将厚18m 的坝基覆盖层全部挖除，斜心墙和透水坝壳均建在基岩上。防渗体与基岩的接触面要求结合紧密。表层强风化、裂隙密集的岩石应予挖除，将坝建在具有足够强度和整体性好并在渗流作用下不致产生严重溶的岩层上。在岩面不平整或存在微小裂缝处，可通过灌浆、喷水泥砂浆或浇筑混凝土进行处理，防止表层裂隙渗水直接冲刷坝体。过去国内外很多土石坝常在基岩面上浇筑混凝土垫座或建混凝土齿墙。近代的建坝趋势则是

将防渗体直接填筑在岩面上，认为混凝土垫座和齿墙作用不明显，受力条件不好，容易裂缝，而且对填土碾压有干扰，不宜采用，但对基岩表面要进行严格的处理，防渗体底部岩面要进行固结灌浆，并保持结合面具有足够的渗径长度。 基岩内部防渗处理的主要设施是帷幕灌浆，用以提高其不透水性、强度和完整性，减小渗流坡降，减少渗漏损失。很多高坝出于安全考虑，利用廊道或平洞对全坝进行深孔帷幕灌浆。近年来不少人对此提出不同看法，认为土石坝坝基渗流控制，除了在断层裂缝和岩溶发育等不良地段确有必要进行灌浆外，应根据每座坝的具体条件进行技术经济论证，确定是否需要灌浆以及灌浆的范围和要求。有一些高土石坝通过论证大大减少了帷幕灌浆的工作量。低坝通常不灌或只做简易的灌浆。 对断层破碎带等不良地质构造，即使高土石坝，也不需过多地考虑承载力和不均匀沉降问题，而应着眼于了解其中填充物的性质和紧密程度以及两侧围岩的岩性，研究其抗渗稳定性和抗溶蚀的性能。要做好防渗体下部顺河断层的防渗处理。处理方法可采用水泥或化学材料灌浆、混凝土塞、混凝土防渗墙，或加宽心墙，加设防渗铺盖，作好排水反滤等，用以阴截渗流，防止管涌和溶蚀。

砂砾石坝基处理

土石坝的坝基处理常见的砂砾石坝基，其河床段上部多为近代冲积的透水砾石层，具有明显的成层结构特性。在这种坝基上即使建造高土石坝，其地基承载力一般也是足够的，而且压缩性不大。如坝基土层中夹有松散砂层，淤泥层，软粘土层，则应考虑其抗剪强度与变形特性，在地震区还应考虑可能发生的振动液化造成坝基和坝体失稳的危险。为此，需进行专门的分析研究，必要时，可采取挖除、排水预压、抗冲加固等措施。在砂砾石地基上建坝的主要问题是进行渗流控制，解决的方法是作好防渗和排水，如：1。垂直防渗设施，包括软粘土截水槽、混凝土防渗墙、灌浆帷幕等； 2。上游水平防渗铺盖；3。下游排水设施，包括：水平排水层、排水沟，减压井、透水盖重等。这些设施可以单独使用，也可以综合使用。

各种垂直防渗设施能比较可靠而有效地截断坝基渗透水流，解决坝基渗流控制问题。在技术条件可能而又经济合理时，应优先采用。在下列情况下宜尽可能采用：1.坝基砂砾石层渗流稳定性差，采用铺盖及排水减压设施仍不能保证坝与地基的渗流稳定时；2。坝基水平成层显著，具有强透水渗漏带，上游铺盖不能

有效地控制渗流时；3.坝基砂砾石层厚度不大，不难采用垂直防渗设施解决渗流控制问题时；4.水库不容许有大量渗漏损失时。

垂直防渗设施的形式可以参照以下原则选用：1.砂砾石层深度在10～15m 以内，或不超过20m 时，宜明挖截水槽回填粘土，对临时性工程则可采用泥浆槽防渗墙；2.砂砾石层厚度在60～70m 以内的，可采用混凝土防渗墙；3.砂砾石层更深上述设施难以选用时，可采用灌浆帷幕，或在深层采用灌浆帷幕，上层采用明挖，回填粘土截水槽或混凝土防渗墙。不论采用何种形式，均宜将全部透水层截断，悬挂式的竖直防渗设施，防渗效果较差。

（一）粘性土截水槽

当坝基砂砾石层不太深厚时，截水槽是最常用而又稳妥可靠的防渗设施。一般布置在大坝防渗体的底部（均质坝则多设在靠上游 1/3 至 1/2 坝顶宽处），横贯整个河床并延伸到两岸。槽身开挖断面呈梯形，切断砂砾石层直达土石坝的坝基处理岩基，岩面经处理后回填粘性土料，槽下游侧按级配要求铺设反滤料，槽底宽应该根据回填土料的容许渗流坡降、与岩基接触面抗渗流冲刷的容许坡降以及施工条件确定。截水槽上部与坝的防渗体连成整体，下部与岩基紧密结合，形成一个完整的防渗体系。我国在60 年代前建成的大坝曾广为应用。截水槽的最大开挖深度一般不超过20m。国外高土石坝截水槽的开挖深度有的较大，如：加拿大的下诺赫坝最大挖深达82m。

（二）混凝土防渗墙

深厚砂砾石地基采用混凝土防渗墙是比较有效和经济的防渗设施。一般做法是用冲击钻分段建造槽形孔，以泥浆固壁，然后在槽孔内用水下浇注混凝土的方法浇筑成墙，墙底嵌入弱风化基岩，深度不小于0.5～1.0m，墙顶插入防渗体内的深度应大于1/10 坝高，并不得小于2m。墙厚按施工条件可在0.6～ 1.3m 范围内选用，一般0.8m 左右。从60 年代起，混凝土防渗墙得到了广泛的应用，国外挖墙浇筑墙身的最大深度已达80m 左右。70 年代末成的加拿大马尼克3 号坝，河床覆盖层最深120m，建两道混凝土防渗墙，各厚0.61m，中心距 3.2m，墙深131m（坝身上部用抓斗建造槽孔，52m 以下采用连锁管柱）。我国在这方面发展了反循环回转新型冲击钻机、液压抓斗挖槽等技术，在砂砾石层中纯钻工效（70m 以内）平均达到0.85m/h，进入国际先进行列。黄河小浪底水库计划用深

度近 70m 的双排防渗墙，单排墙厚 1.2m。防渗墙设计存在的问题是： 1.墙的受力条件比较复杂，目前关于支承和地基反力的计算假定和参数取值与实际情况不完全相符，计算成果和观测成果有时出入较大；2.对墙身材料及其抗渗性和耐久性的研究还不够。为了适应在深厚覆盖层上建设高土石坝的需要，我国正在开展墙体应力场、位移场以及高强度、低弹模、适应较大变形的墙体材料的研究。 混凝土防渗墙的施工技术较易掌握，对各种地层适应性强，造价较低，所以在砂砾石层地基防渗处理中日益得到广泛的应用。

（三）灌浆帷幕

近年来在砂砾石冲积层中采用水泥粘土灌浆建造防渗帷幕已取得了成功的经验。法国的谢尔蓬松坝，高 129m，砂砾石冲积层地基，1957 年建成灌浆帷幕，深约110m，顶部厚度35m，底部厚度15m，钻孔19 排，中间4 排土石坝的坝基处理直达基岩，变孔深度逐步变浅渗流坡降3.5～8。埃及阿斯旺心墙坝，坝高 111m，砂砾石冲积层厚 225m，采用灌浆帷幕、与心墙连接的铺盖以及下游减压井等综合处理措施，帷幕最大深度170m，达到第三纪不透水层（未达岩基）在坝基内设有测压管180 个，实测帷幕承担水头已达设计的 96.6%，防渗效果显著，帷幕渗流坡降3.5～5。 帷幕设计的主要内容在于，根据容许的渗流坡降J 确定帷幕的厚度T。我国土石坝设计规范建议的容许坡降值为J〈=3~4。对深度较大多排帷幕，可以沿深度采用不同的厚度，按容许坡降确定的厚度 T 是指帷幕顶部的最大厚度。多排灌浆帷幕孔要求按梅花形排列，根据帷幕厚度和孔距可以确定灌浆孔的排数。孔、排距需通过现场试验确定，初步可选为2～3m。水泥粘土浆的最优配比一般由试验确定，水泥含量按重量应占水泥和粘土总量的20%～50%，灌浆压力也应通过现场试验确定。

80 年代后，我国发展了高压定向喷射灌浆技术，其原理是：将30～ 50Mpa 的高压水和0.7～0.8Mpa 的压缩空气输到喷嘴，喷嘴直径2～3mm，造成流速为100～200m/s 的射流，切割地层形成缝槽，同时由1.0Mpa 左右的压力把水泥浆由另一钢管输送到另一喷嘴以充填上述缝槽并渗入缝壁砂砾石地层中，凝结后形成防渗板墙。施工时，在事先形成的泥浆护壁钻孔中，将高压喷头自下而上逐步提升即可形成全孔高的防渗板墙。这种喷射板墙的渗透系数为E- 5～E-6cm/s，抗压强度为6.0~20.0Mpa,容许渗流坡降突破规范限制，达到80～ 100，施工效

率较高，有一定发展前途。

水泥灌浆的优点是：既可以处理较深的砂砾石层；也可以处理局部不便于用其它防渗方法施工的地层；还可以作为其它防渗结构的补强措施。其缺点是：工艺较复杂，费用偏高，地表需加压重，否则灌浆质量达不到要求。更主要的问题是对地层的适应性差，即这种灌浆方法是否宜于采用，取决于地层的可灌性。地层土料的颗粒级配、渗透系数、地下水流速等都会影响到浆液渗入和凝结的难易，控制着灌浆效果的好坏和费用的高低。我国土石坝设计规范建议采用可灌比值M 来评价沙粒石坝基的可灌性。

（四）防渗铺盖

用粘性土料修筑铺盖与坝身防渗体相连接，并向上游延伸至要求的长度，也是土石坝常用的防渗设施。铺盖 土石坝的坝基处理 的作用是延长渗径，从而使坝基渗漏损失和渗流坡降减小至容许范围以内。当坝基覆盖层深厚，缺乏采用垂直防渗设施的条件或其造价昂贵难以实现时，适于采用铺盖防渗。当上游有天然铺盖或坝前淤积物较厚可以利用时更值得考虑。铺盖不能像垂直防渗设施那样可以完全截阻渗流，其防渗效果有一定限度，故多在中、小工程中使用，对高坝多和其他防渗设施配合使用。

铺盖的防渗性能取决于其长度、厚度和透水性，一般应通过计算和试验研究来合理确定各顶参数。铺盖土料的渗透系数至少应比地基砂砾石的相应值小100 倍以上，最好达1000 倍。铺盖长度超过6~8 倍水头以后，防渗效果增长缓慢。铺盖前缘的最小厚度不宜小于 0.5~1.0m，末端与心墙或斜墙连接处的厚度按容许坡降确定。由于天然冲积层大多数不是很均匀的，单纯依靠铺盖难以完全达到预期的效果，因而常和下游 坝基的排水减压设施同时使用，以便有效地控制渗流，保证坝的稳定。

（五）下游排水减压设施

设置排水的目的是为了防排结合，控制渗流。排水有水平排水与竖向排水两种形式。水平褥垫排水的设计详见第七节。坝后反滤盖重由透水材料作成，用以平衡坝基扬压力，其长度和高度根据计算确定，通常从坝脚处向下游延伸，与坝基土层之间按要求设置反滤层。

对于成层结构的砂砾石地基，单纯采用水平防渗设施，常常不能有效地降低

渗透压力，特别是当下游坝基有较不透水的土层覆盖时，在其下卧的砂砾石层中可能产生较大的扬压力，导致管涌、流土以及下游沼泽化。这种情况即使采用垂直防渗设施，如果防渗效果不够彻底，也有类似情况发生。此时，可采用排水沟或减压井。当下游侧表层土较薄时，可开挖排水沟深入下部透水层，沟底及边坡设反滤层，表面用块石砌护或做成暗管式。当表层土较厚或坝基深部有强透水层时，则采用减压井较为有效。减压井是深入坝基透水层中的连续并排，井径一般大于15cm。井贯入强透水层中不应少于其厚度的25%，一般采用50%~70%，但100%效果最好。出口高程宜尽量降低，但应高于排水沟底面。井周设置反滤层。减压井的缺点是加了坝基渗水量。减压井与其它防渗排水设施共同使用时，应统一考虑，权衡利弊。

细砂、软粘土和湿陷性黄土坝基处理 （一）细砂等易液化土坝基

坝基中的细砂等地震时易液化的土料对坝的稳定性危害很大。关于液化的判别标准参见本章第十节。对判定可能液化的土层，应尽可能挖除后换填好土。当挖除比较困难或很不经济时，可首先考虑采取人工加密措施，使之达到与设计地震烈度相适应的密实状态，然后采取加盖重、加强排水等附加防护设施。

在易液化土层的人工加密措施中，对浅层土可以进行表面振动加密，对深层土则以振冲、强夯等方法较为经济和有效。振冲法是依靠振动和水冲使砂土加密，并可在振冲孔中填入粗粒料形成砂石桩。强夯法是利用几十吨的重锤反复多次夯击地面，夯击产生的应力和振动通过波的传播影响到地层深处，可使不同深度的地层得到不同程度的加固。

（二）软粘土坝基

软弱粘性土抗剪强度低，压缩性高，在这种地基上筑坝，会遇到下列问题： 1、天然地基承载力很低，高度超过3~6m 的坝就足以使地基发生局部破坏； 2、土的透水性很小，排水固结速率缓慢，地基强度增长不快，沉降变形持续时间很长，在建筑物竣工后仍将发生较大的沉降，地基长期处于软弱状态； 3、由于灵敏度较高，在施工中不宜采用振动或挤压措施，否则易扰动土的结构，使土的强度迅速降低造成局部破坏和较大变形。

软粘土地基一般不宜用作地基，仅在采取有效处理措施后，才可能修建高度

不大的坝。我国在软土地基上筑坝也取得了一定的经验，如：杜湖土坝，坝高17.5m，采用砂井处理办法；溪口土坝，坝高23m，采用镇压层方法。国外在软土地基上建坝的实例有委内瑞拉的古里坝，坝高90m，地基为高压缩性残积土，采取了部分挖除、预浸水、设戗台、加强反滤等措施。 土石坝的坝基处理对软粘土，一般宜尽可能将其挖除。当厚度较大或分布较广，难以挖除时，可以通过排水固结或其他化学、物理方法，以提高地基土的抗剪强度，改善土的变形特性。常用的方法是：利用砂井加速排水，使大部分沉降在施工期内完成，并调整施工进度，结合坝脚镇压层，使地基土强度的增长与填土重量的增长相适应，以保持地基稳定。砂井直径约３０～40cm，井距与井径之比为6～8，按梅花形布置，砂井顶面铺设厚约1m 的砂垫层。杜湖水库土坝坝基表层有11～ 13m 厚的淤泥质粘土层，抗剪强度只有0.015Mpa，采用砂井加固后，随坝体增高，坝基强度增长较快，当大坝填筑到14m 高度时，坝基土的抗剪强度已增至 0.05Mpa，满足了稳定要求。建软粘土地基上的坝，宜尽量减小坝基中的剪应力，防渗体填筑的含水量宜略高于最优含水量，以适应较大的不均匀沉降。

（三）湿陷性黄土坝基

湿陷性黄土坝基的主要危害是浸水后产生过大的不均匀沉降，造成坝体裂缝。这种地基也不宜建坝，只有经过充分论证和处理后才可建低坝。一般处理措施是挖除、翻压或通过强夯以消除其湿陷性，也可通过预先浸水处理，使湿陷量大部在建坝前或施工完成。

土石坝与坝基、岸坡及混凝土建筑物的连接是土石坝设计中的一个重要问题。应当重视防渗体与坝基、岸坡等相接触的结合面的妥善处理，使其结合紧密，避免产生集中渗流；保证坝体与河床及岸坡结合面的质量，不使其形成影响坝体稳定的软弱层面；并不至因岸坡形状或坡度不当引起的坝体不均匀沉降而产生裂缝。 坝体与坝基及岸坡的连接对于土质坝基与岸坡应进行表面清理与压实。坝体范围内的低强度、高压缩性软土及地震时易液化的土层都需清除或处理。坝的防渗体与地基防渗设施之间应妥善连接。坝壳粗粒料与地基覆盖层之间如不符合反滤要求时，应增设反滤层。

与防渗体结合处的岸坡应大致平顺，避免反坡；当岸坡上缓下陡时，凸出部位变坡角不宜陡于20 度。为了使岸坡面上的土压力大于渗透水压力，防止水力

劈裂和过大的不均匀沉降，岸坡的坡度不宜陡于1:0.5～1:0.75。特殊情况，需 土石坝的坝基处理要突破这一限制时，应采取必要的措施。国内外工程实践中，有的岸坡很陡，如：美国的布鲁买扎坝，岸坡陡到1:0.1～1:0.2，尚未出现异常现象，这是由于：1.碾压机具和施工工艺的发展使填土质量好、压实度高，沉降变形小，填土与岸坡的结合好；2.防渗体与岸坡连接处的断面加宽，并专门铺设了含水量稍高，适应变形能力强的土料；3.下游侧设置了良好的反滤层。我国密云水库白河主坝，坝高66m，岸坡坡度1:0.3，多年来运行正常。土质岸坡的坡度不宜陡于1:1.5。此外，还应注意对岸坡本身的整体性和稳定性的要求，防止蓄水后岸坡稳定条件恶化。如果岸坡岩体风化层深度、节理裂隙发育，或有较大的断层破裂带，大量清除有困难时，可采取灌浆、加设铺盖或开挖截水槽等防渗措施，将岸坡与河床坝基的防渗体系连成整体，再结合岸坡的排水设施，控制有害的绕坝渗流。

坝体与混凝土建筑物的连接 土石坝与混凝土建筑物的连接基本上有两种型式：插入式与翼墙式。

（一）插入式 这种连接形式简单，从混凝土与土石坝的连接部位开始，混凝土坝的断面逐渐缩小，最后成为刚性心墙插入土石坝心墙内。 这种连接形式，土石坝的坡脚要向混凝土坝延伸较长，故对中高坝不适于直接与混凝土溢流坝相连接。从抗震观点看，土与混凝土两种性质不同的的结构地震时易于分离，插入部分断面变化易引起应力集中，结合部位施工不便，开裂后自愈作用小，修复困难。特别是对于高坝，采用高插入墙，根据受力条件，每隔一定高度需设置柔性铰，结构也比较复杂。

（二）翼墙式 在结合部位作成混凝土挡土墙并向上、下游延伸形成翼墙。土石坝与船闸、混凝土溢流坝等建筑物连接时常采用这种形式。为使接触面结合紧密，并具有良好的抗震性能，可采取以下措施： 1.混凝土挡土墙宜采用1:0.5 左右的坡度，使填土高度缓慢变化，避免出现裂缝；2.为避免土和混凝土两种不同类型结构地震时变形不协调，在结合部位脱开或产生间隙，宜尽可能增大接触面积，将土石坝的防渗体适当扩大，3.在结合部位数米内设置良好的反滤层，一旦出现裂缝后使其可以自愈。为了泄洪、灌溉、发电和供水的需要，可在土石坝的岩基或压缩行很小的土基上埋设涵管。此时，在坝的防渗体与涵管相接的部分，

应将防渗体的断面适当扩宽，并在涵管上设截流环，以增长渗径。涵管本身分缝，缝中设止水。在坝壳与涵管相接的部分，应在伸缩缝处做好反滤层。

在国内外发生的多次大地震中都有为数不少的土石坝遭受到不同程度的震害，但也有的经受住了强震的考验。对地震区的土石坝进行抗震设计并对其安全性作出评价具有十分重要的意义。近年来，由于土动力学、计算分析和实验技术方面所取得的巨大进步，人们对地震作用下土的动力性质有了比较深入的了解，在土石坝地震动力反应计算以及抗震稳定分析方法的研究方面也都获得了比较大的进步。可以说土石坝的抗震分析目前正处在一个变革的时代。一方面，传统的分析方法，即将地震作用以等效静力加于可能滑动体上计算其稳定安全系数的方法，在评价土石坝在抗震能力方面所出现的矛盾日益增多。另一方面，新的分析方法，以计算土石坝在地震地过程中的实际表现，并考虑土的非线性变形特性及其强度在地震过程产生变化的影响。但是，新的方法还不够成熟，定量化仍有一定困难，付诸工程实践仍有一定距离。这就形成了当前两种方法并存的局面。