1、1基于水利工程土坝的工作特点及设计问题分析与研究摘要：本文首先论述了影响土坝安全与稳定的各种影响因素，和它的工作特点,然后指出了土坝失事的主要机理,对土坝设计及施工提出了基本要求,本文是个人的一些见解和观点，望能为水利工程设计、施工及管理起到重要的作用。 关键词：土坝； 工作特点； 设计要求； 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 前言 土坝是松散颗粒的集合体，即由土料填筑而成的挡水建筑物。当土坝挡水后，由于水头的作用，将产生坝身与地基渗流。同时，雨水沿坡面冲刷，以及坝体在自重作用下将产生沉降。这些作用因素，形成了土坝具有与其它坝型不同的工作特点及设计原则和要求。由于土坝的工作特点
2、。从蓄水及安全要求出发，土坝的设计必须满足如下要求:坝体的稳定性:即上、下游坝坡在自重及渗流作用下不产生滑动破坏;防渗、排水要求:为了降低浸润线，减少渗流对下游坝坡的渗压作用，可采用适当的防渗排水;防冲要求:即采用护坡以抗雨水风浪冲刷，确保坝顶设计高程以防止漫顶:其他要求:对于个部分坝体设置，都要采取相应构造以确保局部的安全。如在各过渡坝体设置反滤层，以防止渗透变形的产生等。 一、渗流的影响问题分析与研究 土坝的坝身和坝基在一定的程度上总是透水的。在土坝挡水后，在2上、下游水位差的作用下，产生坝身与坝基的渗流场，并在坝体与坝基(包括两岸)的结合面和坝体与混凝土建筑物的结合面产生集中渗流。渗流在
3、坝体内的自由水面叫浸润面，它与垂直坝轴线的剖面的交线称浸润线。浸润线以上一定高度内为毛细管水的上升区域，这个区域的高度在砂土中约为 0.05 一 0.15m，要粘性土懊中可达 0.15 一 1.5m 或更多，这个区域的土壤处于湿润状态。毛管水层以上为自然含水区，该区容重为自然容重。浸润线以下的土体全部被水饱和，为饱和水区，饱和水区的土体受到水的浮力作用，而减轻了土体的有效重量，且使土的内磨擦角和粘结力减小。同时，渗流还对土体作用有动水压力，这些都增加了坝体滑动的可能性。当土壤中渗透水流的流速和坡降超过一定的界限时，还会引起坝体和坝基的渗透变形。严重时会招致土坝的失事。另外，渗透流量过大时，还会
4、影响水库的蓄水效益。为消除或减轻渗流的上述不利影响，必须采用防渗排水设施，以保证坝体和坝基土的稳定性和减少水库渗漏水量。防渗:即于坝在上游或中部设置斜墙或心墙。排水:设置于坝的下游侧的透水坝壳、排水体等。 二、冲刷影响问题分析与研究 由于土料颗粒间的连接力很小，因此抗冲能力低，降落在坝面的雨水，延坝坡下游而冲刷坝面。此外，库内风浪对坝面也将产生冲击和淘刷作用，如不防护，将使坝面遭受破坏甚至产生塌坡事故。因此，上、下游坝坡均需采用有效的防护措施。由于建坝土料抗冲能力低，除专门有保护设施的溢流低土坝外，坝顶决不允许过水，也不允许波浪沿坝坡翻越坝顶。因此，在决定坝顶的高程时，不仅要使坝顶在设计(校核
5、)库3水位以上有一定的安全超高，而且还应正确的确定防洪标准，合理选定泄水建筑物的尺寸，使其有足够的泄洪能力。以确保该年校核)洪水不致漫溢坝顶。 三、沉陷影响问题分析与研究 散粒体土料筑坝，由于土料间存在孔隙，并且土粒间容易产生相对移动，在施工过程中，随着坝体的升高，荷重逐渐加大，坝体和坝基(土基)都会由于压缩而产生沉陷。而且在完工后，沉陷还要经过相当长一段时间才会停止。为了防止沉陷后的坝顶高程低于设计标准，设计坝顶要增加沉陷值，对于重要工程要通过沉陷计算预留沉陷值。观测资料表明.完工时的沉陷量可达总沉陷量的 70%-80%。完工后的沉陷量的大小，与施工质量关系很大。国外统计资料表明，施工质量较
6、高的土坝，完工后的沉陷量，大部分小于坝高的 1%。根据河南省历年召开的大型土坝观测会议提供的实测资料，土坝完工后的沉陷量大致为坝高的 0.5%-0.8%。施工一般的中、小型土坝，如坝基没有压缩性很大的土层时，可按坝体高度的 1 %-2%预留沉陷值。 四、其他影响问题分析与研究 在严寒季节，当气温低于零度时，库面水结冰形成冰盖层，与岸边及坝坡冻结在一起，当温度迅速上升时，冰盖层膨胀，对坝坡产生静冰压力，可能导致护坡的破坏。位于水位以上的坝体粘性土，在冻融的作用下会形成孔穴、裂缝。在夏季，由于含水量的损失，上述土壤也可能干裂引起集中渗流。为防止这些现象，也应采取有效措施。在地震区筑坝，尚应考虑地震
7、影响。地震惯性力会增加坝坡坍塌的可能性。当坝体4或坝基土层是均匀细沙或沙粒时，在强烈地震作用下，还容易引起液化破坏。土坝的上述工作特点，决定了土坝一般是由坝体、防渗设施(心墙、斜墙等)，排水设施和护坡等部分组成，对于匀质土坝坝体兼起防渗作用，可不设专门的坝体防渗设施。组成土坝的各个部分均有各自的作用，并互相配合以保证土坝在各种工作条件下安全而正常地运用。 五、处理坝基渗漏的主要方法分析与研究 从目前的状况来看，坝基渗漏控制与处理的基本原则是“上堵下排” ，这样可以渗透路径得到延长，有效地缩短了渗透的坡降，其中，堵是指在上游进行水平铺盖和坝基截渗，排则是指在下游进行排渗。处理土坝渗漏的主要方法有
8、：水平铺盖粘土、建造粘土截渗墙、垂直铺塑、排渗等。在土坝上游用粘土进行水平防渗铺盖，并且与坝体的防渗体进行连接，可以有效地延长渗透路径和延缓水力的坡度。铺盖防渗要求通过铺盖及下卧冲积层内的渗透坡降必须保持在各自的渗透坡度之内。从上游到下游，铺盖厚度要逐渐增加，并且各处的渗透坡降都要小于允许坡降。通常情况下，用粘土截水槽防渗方案适用于覆盖层深度小于 15-20m 的情况，如果坝基的土质由多层组成，其水平渗透系数要远远大于垂直渗透系数，这时更适合采用粘土截水墙，还可以使施工质量比较容易得到保障。但是，如果覆盖层太深，就比较适合采用粘土截水槽。截水槽的底部宽度有一定的要求，它要根据水头和填筑土料性质
9、来确定，通常保持为水头的 0.20.3 倍，截水墙的底部要与新鲜岩基相接触，要设置反滤层在下游坡与坝基土接触面。垂直铺塑防渗技术是新兴起的一项技术，它是一种比较经济的防渗技术，其效果也很明显，但是它对地质条件要5求较严格，其应用范围比较狭窄。如果排渗和截渗都不能使渗流的稳定性达到一定的要求，就要在堤坝下游渗流出口处设置排水井进行排渗，排除坝基或坝身内的渗水，保持土体土粒的稳定，防止其被冲走。土坝背水坡的渗漏部位是坝身导渗的主要部位，其具体措施要依据渗漏程度而定。新建土坝能够长久地发挥作用与其良好的施工工艺和建后维护是紧密相关的，处理好坝基渗漏问题是维护土坝的重要措施。 六、结语 从土坝的工作特
10、点还可以看出，土坝的破坏是多方面的原因造成的，根据一些国内外土坝失事资料的分析，由于泄洪能力不足，水流漫顶失事的占 30%;由于坝坡坍塌失事的占 25%;由于坝基渗漏失事的占 25%;由于与坝下涵管连接不好失事的占 13%;其他占 7%。但是，只要针对土坝的工作特点，对其各组成部分的布置形式、尺寸和构造等进行设计和保证施工质量，并在运用期间加强管理，则土坝失事是完全可以避免的。 参考文献: 1陈胜宏.水工建筑物M).北京:中国水利水电出版社，2004 2陈云芳浅谈小型水库土坝渗漏的技术要点J中国科技博览，2010 3张军齐、安海锋浅谈粘性土坝体裂缝的成因分析及处理措施J山西建筑，2011 4王丹芳、张晶新一水库土坝工程治理措施J水利天地，2011 65牛云光.土坝安全与加固M.北京：水利水电出版社，1998.11
