土石坝排水设计分析.pdf

2 0 1 5年第 4期 ( 第 4 3卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 4 201 5 ( T o t a l N o 4 3 ) 文章编号 ： 1 0 0 7 7 5 9 6 ( 2 0 1 5 ) 0 4- 0 0 5 9- 0 3 土石坝 排水 设计分析 吴奇明 ( 江西省赣西土木工程勘测设计院， 江西 宜春 3 3 6 0 0 0 ) 摘 要 ： 结合近年江西省 中小型水库除险加 固工程实际情况 ， 运用工程实例， 介绍土石坝坝体 和坝面排水设计。文章以防渗体上游侧为坝体上游 ， 防渗体下游侧为坝体下游。当库水 向下 游渗透时， 穿过防渗体的坝体下游渗透水主要通过排水反滤体排向下游 ； 当库水位下降时， 未 穿过防渗体的坝体上游渗透水主要通过护坡排水孔排回库区。坝面排水主要是排下游坝面及 坝顶的雨水 ， 坝面排水应与坝体排水分离排出。大坝加固实施后 ， 下游坝脚处大面积散浸现象 和多处集中渗漏点已消失， 坝容坝貌得到有效改观。 关键词： 土石坝 ； 坝面排水 ； 坝体排水； 排水设计 中图分类号： ，I tv 6 4 1 文献标识码： B 0 引 言 土石坝主要由坝址附近的土石料填筑压实而 成 ， 而土石料为散粒体结构， 压实后其颗粒间仍存在 着大量的孔 隙， 具有一定 的透水性。为及 时排 出坝 体内土石料颗粒间的孔隙水， 需设置坝体排水； 同 时， 为防止坝表面土石料颗粒受雨水形成的水流冲 刷造成水土流失， 需设置坝面排水。因此， 土石坝排 水包括坝体排水和坝面排水。 1 坝体排水 当土石坝挡水时， 在上下游水位差的作用下， 库 水通过坝体和坝基覆盖层的孔隙向下游渗透。为了 降低土石坝浸润线和渗透坡降， 防止土石坝渗透变 形 ， 减少渗漏流量 ， 土石坝坝体 内常设有专 门的防渗 体 以拦截渗透水 。 本文以防渗体上游侧为坝体上游， 防渗体下游 侧为坝体下游。当库水向下游渗透时， 穿过防渗体 的坝体下游渗透水 主要通过排水反滤体排 向下游 ； 当库水位下 降时， 未穿过 防渗体 的坝 体上游渗透水 主要通过护坡排水孔排回库区。 1 1 坝体下游排水及反滤 1 1 1 几种不同类型坝体排水 坝体下游排水主要有棱 体排水 、 贴坡排水、 褥垫 排水及综合型排水等， 其中棱体排水和贴坡排水较 多应用于近年江西省中小型水库除险加固工程中。 1 1 1 1 棱体排水( 又称滤水坝趾) 棱体排水是在下游坝脚处用块石堆砌而成 的棱 体状排水设施。它 能有效降低坝体下游浸 润线 ， 排 水效果较好。但因石料用量较大， 造价较高， 且棱体 多伸入坝体内， 维修较困难。如图l 为棱体排水。 图 1 棱体排水结构图 1 1 1 2 贴坡排水( 又称表面排水) 贴坡排水是在下游坝坡底部表面用块石、 卵石 等分层铺设而成的二种排水设施。贴坡顶部宜高出 浸润线出逸点1 5 m以上， 排水 的厚度应大于当地 的 冰冻深度。贴坡排水不能降低坝体浸润线， 但因贴 收稿 日期 2 0 1 4一l 03 1 作者简介】 吴奇明( 1 9 8 1 一) ， 男， 江西临川人， 工程师， 研究方向为水利水电工程。 一 5 9 2 0 1 5年第 4期 ( 第 4 3 卷 ) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 4 2 01 5 ( T o t a l N o 4 3 ) 坡排水构造简单 ， 石料用 量不大 ， 造 价较省 ， 且贴坡 位于坝坡表面， 施工方便 ， 维修简单。当坝体设有防 渗墙 ， 坝 内浸润线位置不高 ， 常采用贴坡排水 。如图 2为贴坡排水。 图 2 贴 坡排 水 结构 图 I I 1 3 褥垫排水 褥垫排水是沿下游坝基面伸入坝体内部由块石 组成并外包反滤层的一种平铺式排水设施。当下游 无水时 ， 它能有效地降低浸 润线 ， 有助 于坝基 排水 ， 但对坝基不均匀沉降的适应性差 ， 易断裂 ， 且维修 困 难 。如图 3为褥垫排水 。 图 3 褥垫排水结构图 1 I 1 4 综合型排水 综合型排水是将上述几种排水设施组合而成的 一 种排水设施。如图4为棱体排水和贴坡排水组合 而成 。 图 4棱体排水和贴坡排水结构图 I I 2 反 滤层 为防止坝体 和坝基土在渗 流出 口处发生管涌 、 流土等渗透变 形 ， 下游渗 流 出逸 处 须设置 反滤层 。 反滤层一般 由 1 3层不同粒径的透水性材料 ( 如砂 石料 ) 铺筑而成 ， 其粒径沿渗流方 向由细到粗 ， 层次 一 6 0 一 大体与渗流方向正交 。 反滤层必须满足如下要求 ： I ) 能通畅地排出坝体 内渗透水流。 2 ) 保护坝体及坝基土不发生渗透变形。 3 ) 不致被带出的细粒土淤塞而失效。 如图 1 图 4在渗透水进入排水体处均设 置了 反滤层。 1 2 坝体上游排水 为保护上游 坝面免受波浪淘刷 、 顺 坡水流冲刷 和冰冻等危害 ， 上游坝面 常设 置护坡 。常见上游护 坡型式有干砌或浆砌石护坡 、 现浇或预制混凝土或 钢筋混凝土护坡等。 在库水位降落情况下， 坝体防渗墙上游孑 L 隙水 将排 回上游库 区， 因此当采用浆砌石护坡 、 预制或现 浇混凝土 、 钢筋 昆 凝土等护坡时应预留排水孔 ， 排水 孔底设置土工布和反滤垫层 。 2 坝面排 水 坝面排水主要 是排下游坝面及坝顶 的雨水 ， 坝 面排水应与坝体排水分离排出。 2 1 下游坝面排水 土石坝下游坝面一般 多采用草皮护 坡 ， 为 防止 雨水对下游坝面冲刷而形成雨淋沟 ， 根据规 范要求 ， 需在下游坝面设置互连且贯通 的纵横向排水沟和岸 坡排水沟。纵 向排水 沟一般布置于排水反滤体顶部 及马道内侧； 横向排水沟宜每 5 0一1 0 0 m 设置一条； 岸坡排水沟则沿土石坝坝坡与山体岸坡的连接处设 置 ， 以防止山体坡面上的雨水 冲刷坝面。排水沟宜 用混凝土现场浇筑或浆砌石砌筑 ， 其宽度和深度根 据集水 面积 确定 ， 为方 便 清淤 ， 断面 一般 3 0 e m 3 0 c m o 2 2 坝顶排水 为了排除坝顶降雨积水 ， 坝顶面应做成 向一侧 或两侧倾斜 的横 向坡度， 坡 度宜采用 2 3 。若 坝顶设有防浪墙 ， 则常采用向下游一侧倾斜的横坡 。 坝顶 向 下游 倾 斜 可 利 用 下 游坝 面 排 水 系 统 汇集 径流。 3 工程 实例 3 I 工程基本情况 江西省宜春市某水库总库容2 2 5万 I n ， 为一座 小( 1 ) 型水库 。枢纽主要建筑物有大坝 、 溢洪道和坝 下涵管等。大坝为均质土坝 ， 坝顶长8 0 m， 宽4 m， 最 吴奇明： 土石坝排水设计分析 第4期 大坝高 1 3 3 m。本 工程等别为等 ， 大坝为 4级建 筑物 ， 设计洪水标准采用3 0 a 一遇 ， 校核洪水标准采 用3 0 0 a 一 遇 。 3 2 大坝存在的主要问题 根据现场检查 ， 主要存在以下问题 ： 1 ) 大坝上 、 下游无护坡 ， 下游 坝坡无排水设施 ， 坝面冲刷严重 ， 局部坍塌 。 2 ) 下游坝脚无排水反滤。 3 ) 下游坝脚长年湿润 ， 且发现多处集 中渗漏点。 根据地质勘探与复核计算： 大坝存在坝体渗漏及坝 体与坝基接触渗漏问题 ； 大坝坝顶高程不满足要求 。 3 3 大坝加固设计内容 针对大坝存在 的问题 ， 大 坝加 固设计主要 内容 有 ： 冲抓套井 回填黏土防渗墙 防渗 ； 上游坝坡 C 1 5混 凝土预制块护坡 ； 坝顶防浪墙及混凝土路面； 下游坝 坡草皮护坡 及坝面排 水系统 ； 坝脚贴坡排水及大坝 安全监测等( 大坝加固横断面 图见图 5 ) 。以下重点 说明与大坝排水有关的加固设计 内容 。 图5大坝加固横断面图 3 3 1 坝体排水及反滤设计 考虑大坝 采用 冲抓套 井 回填黏 土防渗 墙 防渗 后 ， 坝体下游浸润线得到 明显下降， 下游坝脚采用贴 坡排水 ， 贴坡排水块石与坝体土之间设 置砂 卵砾石 分级反滤层 ， 贴坡排水包括反滤材料共分 四层 ， 由内 至外 分 别 为 ： 第 一 层 l 0 c m厚 中 粗 砂 垫 层 ( 粒 径 0 2 5 m i l l 一 2 m m， D 1 5=1 5 ) ， 第 二层为 2 0 c m厚卵砾 石层( 粒径 2 2 0 m m， D 1 5=8 ) ， 第三层为2 0 c m厚碎 石层 ( 粒 径2 0 r l l l n4 0 l I l n l ， D 1 5=2 6) ， 第 四层 为 4 0 c m 块石层 ( 粒径2 0 04 0 0 m m) 。在贴坡下 游侧 设有集渗沟 ， 并在集渗沟 出 口设 置量水 设施 以监测 大坝渗流量 。 大坝上游坝面采用 C 1 5混凝土正六边形预制块 护坡 ， 厚0 1 m， 边长0 3 m， 下设0 1 m砂卵石垫层。 预制块拼接缝上部宽2 c m， 采用 Ml 0水泥砂浆勾平 缝 。为保证在水位降落过程 中， 坝体 内渗透水 能迅 速排出， 护坡设有 p 5 0 m m排水孔 ， 排水孔设置在混 凝土 预 制 块 的 中 央 ， 纵 向 间 距 1 8 横 向 问距 2 0 8 m， 呈梅 花型布 置。排水孔底设 置4 0 0 m 反 滤土工布一层 ， 尺寸为 0 3 5 m X 0 3 5 m。混凝土预制 块护坡铺设图见图 6 。 4 0 0 z 1 1 2 2 = 一反 遗靠 一屡 1 0 o 厚砂卵 垫 援舒5 o t a k + t 水泥砂浆勾自 | 、 一 l 卜。 ： I I ， 一 1 。 一 o _o 9 o 9 o o o O p 0 彳 。 弱 ( a ) 砼 预审 I 块护坡铺 设嘲 b ) 标准砼预 扫 I 块人样阁 图 6 混凝土预制块 护坡铺设图 3 3 2 坝面排水设计 3 4 大坝加 固效果 为了满足坝 顶路面排水要求 ， 将坝顶混凝 土路 面浇筑成向下游倾斜 ， 其倾斜坡度为 2 。 为防止下游坝坡雨水集 中冲刷而形成雨淋 沟 ， 在贴坡排水顶部 设置纵 向排水 沟， 在两岸设 置岸坡 排水 沟 ， 均 采 用 现 浇 C 1 5混 凝 土 结构 ， 尺 寸 均 为 0 4 m 0 4 m， 厚0 2 0 m。 I 嫂 I c ) 丰 I 水砼_搜制块人朴陶 大坝加 固实施后 ， 下游 坝脚处大面积散浸现象 和多处集中渗漏点已消失 ， 坝容坝貌得到有效改观。 参考文献： 1 毛昶熙 渗流计算分析与控制 M 北京： 中国水利水电 出版社 ， 2 0 0 3 ： 2 1 2 4 一 61