砾质土料在土石坝防渗中的应用

蒋珍珍 刘坤 董唱唱 田芳

摘 要：土石坝防渗作为我国土石坝工程建设过程中最为关键的一个环节，其施工质量直接决定着整个土石坝工程的最终建设质量和后期使用寿命，由于土石坝比较容易发生渗漏现象，所以近些年这一问题受到了人们的广泛关注。较其他土料而言，砾质土料体现出更加优越的使用性能，现如今被作为一种主要的土石坝防渗施工材料，并且取得了非常不错的防渗效果。本文就主要针对砾质土料在土石坝防渗处理中的应用作出了一定的论述。

关键词：砾质土料；土石坝；防渗；应用

引 言

土质心墙堆石坝是我国目前比较常见的一种挡水坝类型，近些年随着我国社会经济的快速发展，土石坝工程建设规模持续不断扩大，在实际建设过程中需要用到大量的筑坝材料，砾质土料因为具有良好的防渗性能，所以被广泛应用到土石坝施工工作中，在防渗体填筑过程中尤其体现出非常优越的性能。砾质土同时还具有较强的压实度、压缩性和抗剪性能，更是受到人们的广泛青睐，但也存在一定的缺陷，即：砾质土料的含水量低、粘粒含量低且塑性不高，这会在一定程度上影响土石坝防渗效果。为了将防渗效果达到最佳，我们应该针对砾质土料质量作出适当的改善，以提升其防渗性能，并且还应该对防渗处理过程中的砾质土料反滤设计和渗透稳定问题引起重视，保证其可以很好地满足工程建设实际要求。

1 土石坝概念

土石坝一般情况下是由混合料、石料以及土料，通过一定的堆砌工艺而形成的一种挡水坝，和其他坝体工程相比较而言，土石坝体现出更加优越的实用性和经济性，所以现如今被广泛应用于我国水利工程当中。由于土石坝修筑过程没有对施工材料提出非常明确严格的要求，绝大多数施工企业都是就近采用当地的一些施工材料，这样就大大降低了工程建设成本，创造更大的经济效益。比如：我国云南省文山地区土石坝建设数量比较多，基本上都是采用本地的施工材料，其中以黏土心墙堆石坝居多，少量的混凝土面板堆石坝和黏土心墙风化料坝。除此之外，土石坝施工工艺较为简单，施工过程只需要借助一些简单的机械设备便可完成操作。需要注意的是，在施工完成之后，应该组织工作人员对其周边土壤的密实度进行仔细检验查看，如果存在松散情况应该立即实施碾压处理，保证土石坝结构的稳定性。

2 土石坝渗漏危害分析

2.1 坝体渗漏危害

坝体是水库中最为关键的一个组成部分，同时也是最容易发生渗漏现象的一个部位，一旦发生渗漏现象会严重威胁整个水库的正常使用和安全，具体危害体现在以下四个方面：一、由于坝体结构自身含有大量的杂质土，这就导致坝体结构密实度不足，提升了坝体土壤的渗水性和透水性。二、坝体厚度不足。这主要是因为工作在最初水库设计的时候，没有严格按照相关技术标准和要求进行设计，导致坝体过于单薄，进一步造成坝体发生渗漏水现象[1]。三、当坝体出现漏洞的时候没有第一时间采取有效的处理措施，长此以往就形成了一个渗水通道，诱发坝体局部出现大面积渗水。四、常年使用但没有实施维修和保养，坝体存在很多鼠洞和蚁巢，汛期水位上升就很容易引发溃坝现象。

2.2 坝基渗漏危害

坝基出现渗漏的原因大多数都是因为施工操作不够规范和严谨。例如：在开始施工之前，工作人员并没有对坝基进行彻底清理、夯实和振压处理，当水压过大时就容易形成透水通道和透水层，进一步出现渗漏病害。除此之外，坝基截水槽设计不合理也是一个导致渗漏的原因，因为截水槽不合理会导致水流击穿坝基[2]。没有对碎裂性岩石采取适当的处理也是坝基发生渗漏病害的另一个原因。

2.3 环坝渗漏危害

根据以往经验，水库坝肩非常容易出现岩石破碎性过大状况，如果没有及时采取有效的处理措施，就会使水库薄弱位置出现绕渗现象。除此之外，坝体碾压不到位、截水槽深度不够或者是施工过程中没有做好坝体和岸坡之间的衔接工作，都会导致后期使用过程中环坝发生渗漏，严重威胁着大坝的施工质量和使用过程的安全性。

3 土石坝渗漏成因分析

3.1 设计工作存在缺陷

经过长时间总结研究发现，土石坝发生渗漏影响因素多种多样，其中设计环节就是其中一个方面，设计方案是否科学合理直接决定着整个大坝乃至水利工程的最终施工质量和其后期使用过程所发挥的作用，可以说后续所有施工作业都是严格按照设计图纸执行的，所以设计方案如果存在缺陷势必会严重影响土石坝施工质量[3]。部分单位管理人员并没有对土石坝设计工作引起足够的重视，设计人员在设计之前也没有深入现场进行详细勘察，在不了解现场地质条件和水文环境前提之下盲目设计，经常会导致设计方案严重脱离工程实际情况，在后期施工过程中问题频频出现。另外，市场上还存在照搬照抄现象，没有充分结合工程实际情况盲目照搬，和施工现场情况严重不符，影响大坝施工质量。

3.2 地质条件存在缺陷

大家都知道，土石坝修建过程对地质条件要求较为苛刻，因为水库坝基都处于水下，如果地质条件不满足要求，势必会影响坝基结构的稳定性。可是在具体建设过程中，由于工程施工工期等多方面因素影响，很多时候在没有充分掌握施工现场地质条件情况下就开始施工作业，在施工过程中遇到地层深处熔岩也没有采取有效的处理措施，这就使土石坝在后期使用过程中很容易出现渗漏现象[4]。另外，处于山包或者是发育不良岩石上的坝基，一些企业一味盲目节约施工成本，并没有彻底填筑坝基，这就给施工作业埋下了一定的安全隐患。

3.3 施工方面存在缺陷

施工方面的缺陷主要体现在以下五个方面：一、早些年我国水利工程大坝修建过程缺乏有效的工程质量监督管控手段，经常存在土壤中杂质含量过多或者是坝基碾压不充分现象。二、没有对分段施工接头位置进行很好的搭接。三、加高大坝之后，没有规范处理新增加部位和老部位之间的衔接，结合层面存在严重的分层现象，增加了渗漏水危害的发生几率。四、坝后排水反滤体质量不符合要求，抬高了浸润线和出逸点，从而使渗水无法留出坡面，导致坝基渗漏。五、没有为坝下涵管设置合理的截水环，或者设置数量不足，再加上地基的影响使涵管出现变形折断，漏水现象[5]。

3.4 材料方面的缺陷

施工材料是工程建设质量的前提保障，由于坝基长时间都浸泡在水当中，常年受到水流的侵蚀和冲刷，所以对施工材料的抗压力、抗冲击性以及耐腐蚀性有着较高的要求，只有满足这些条件方能更好地避免渗漏现象的发生。可是以前土石坝修建过程面临着材料严重匮乏、石灰水泥质量不达标、土壤中含有大量淤泥和腐殖质等问题，所以造成坝基后期很容易出现渗水和不均匀沉降现象。

4 砾质土料在土石坝防渗中的应用优势

和纯粘性土料相比较而言，砾质土料的压缩性更小，变形模量更大，从而可以更好地适应坝壳料变形这一特性，避免心墙开裂和水力劈裂现象的出现，保证土石坝的使用安全性和稳定性。如果出现心墙裂缝问题，冲刷问题和裂缝扩大问题会受到缝壁粗颗粒的限制，裂缝慢慢进行自愈。而纯粘性土料的填筑含水量敏感性比较强，会对施工过程造成一定的影响。除此之外，砾质土料还具有很强的承载力，可以承载一些重型机械施工条件。

5 砾质土料在土石坝防渗中的应用

5.1 砾质土料质量改进方法

研究表明，砾质土料中粒径在5mm以下的颗粒含量占50%，0.1mm以下的颗粒占20%，就可以有效提升防渗性能。可是天然级配砾质土的细粒含量往往都比较低，将这样的砾质土料应用于土石坝工程中并不能起到很好的防渗作用，而细粒含量偏高的天然级配砾质土又会对其土料强度造成一定的影响，同时也会影响防渗效果。在此情况下就需要改善砾质土料的质量，只有这样才能将其在土石坝工程中的防渗功效发挥到最大。

经过室内外试验研究发现，采用格栅筛出法将砾质土当中80mm粒径以上的粗料剔除，砾质土料的防渗性能得到了很大程度的提升，很好地满足了土石坝工程建设过程中的防渗要求。在剔除粗料之前，土石料的分类为Gp，剔除之后变成了Gc，从而将石质材料成功转化成土质材料，将这样的砾质土料应用于土石坝工程施工中，完全符合土石坝防渗各项力学指标。想要不断扩大这种防渗土料的料源，还需要对多个区域范围内的土料质量作出分析和改进研究[6]。就本区域范围内，土料当中含有过多的粗粒，要求工作人员不断研究如何有效提出粒径在60mm和80mm以上的粗颗粒方案。经过一系列研究发现，剔除60mm以上粒径的粗颗粒要比提出80mm以上粒径的粗颗粒性能更好，在实践中可以取得更好的质量效果，所以最终选用提出60mm粒径的砾质土改善方案，目的是为了有效提升土石坝最终防渗效果。

某土石坝修筑过程中，料场中的天然级配砾质土料偏粗，将这样的土料直接应用到土石坝施工当中，难免会影响土石坝防渗性能。在此背景之下，相关工作人员对砾质土料展开试验，夯实处理之后其渗透系数达到了10到6量级。导致这一现象出现的原因包括很多中，例如，砾质土料当中粒径在5mm以内的颗粒占到了16%，粘粒含量偏高，但砾质土料颗粒分布相对比较均匀，颗粒级配上下包络先的变动幅度也相对比较小。工作人员在对土料特性展开试验研究之后，绘制出了砾质土料ρ_dmax-P₅-ω_op关系曲线图，当P₅超过40%的时候，粒径低于5mm的细料压实干密度会出现不断下降现象，这是粗粒含量的第一特征点为P₅^Ⅰ=40%；当P₅等于70%的时候，这时全料的干密度处于最大值状态；当P₅处于50%到70%之间的时候[7]，全料干密度的增加幅度也会有所下降；当P₅等于60%的时候，和50%状态下的各方面情况相比较而言，细料压实干密度会下降到10%，此时粗料骨架孔隙不可采用细颗粒土料实施填充，从而导致架空现象的发生，这种情况下粗粒含量的第二特征点为P₅^Ⅱ=60%。天然级配砾质土料的P₅正常值一般情况下为66.38%，砾质土料因为抗渗指标偏低，所以需要提出土料当中粒径在60mm以上的粗粒，通过这种方式有效改善砾质土料的各项性能。剔除完成之后，土料的P

₅值可以达到57.67%，可见很好改善了砾质土料的防渗和抗渗性能。

现场筛分试验有效验证了室内试验结果，在剔除砾质土料当中粒径在60mm以上的颗粒时，通常情况下采用SZ2振动筛，实践证明剔除之后粗粒含量得到了很大程度降低，很好地验证了室内试验结果。

5.2 砾质土料的反滤设计

对砾质土料反滤设计实施合理管控，可以有效提升土石坝的防渗性能。由于砾质土料在实际应用过程中体现出非常好的压实性和抗剪能力，想要在增加渗径的同时，将工程造价控制在一个合理的范围之内，可以采用肥心墙形式处理土心墙，当然必须要保证坝坡结构稳定基础之上。某土石坝工程的土心墙顶宽设计为4m，体现出非常好的抗冲刷和裂缝自愈能力，从而为土石坝防渗性能奠定了良好的前提基础。岸坡的陡度设计为1∶0.75，钢筋混凝土浇筑为20cm厚，并在钢筋混凝土和砾质土之间填筑50cm厚的高塑性土。该工程反滤设计采用的加布拉砂砾石料，首层反滤设计一定要筛除40mm以上的砂砾料，反滤厚度控制在1m左右[8]。次层反滤设计同样也采用纯天然砂砾料，并实施加厚处理，从而更好地适应料场级配不够均匀的特征。顶部的厚度控制在3m，外边坡的比例为1∶0.5，心墙下游反滤层采用深层料，上游采用表层料，在堆石体和次层反滤之间采用碎石过滤层，并将其厚度控制为3m，从而更好地提升土石坝的渗透稳定性和抗震性能。

5.3 砾质土料的击实功能

想要不断提升砾质土料的密实度，就必须要控制好击实功能，保证其各项力学指标都符合工程建设要求。根据以往经验总结，大多数砾质土料的强度比较高，但是防渗和抗渗性能却存在一定的欠缺，无法很好满足土石坝建设要求，阻碍了土石坝施工质量的不断提升[9]。在此情况下就需要通过提升砾质土料击实功能来提升土石坝的防渗性能。在具体操作过程中，我们应该选用一些现代化大功率碾压设备，在提升工程施工效率的同时，保证填筑强度满足土石坝工程施工要求。压实标准通常情况下是通过普氏击实功能试验进行确定，需要注意，该项实验有可能会造成压实系数高于100%，如果出现这种情况还需要实施修正普氏击实功能试验。

各岩土层力学指标建议值表

6 土石坝防渗加固施工阶段的注意事项

在土石坝防渗加固具体施工过程中，想要保证工程最终建设质量，就必须要求施工人员严格按照相关规范进行作业，在详细了解和分析土石坝各方面实际情况基础之上，编制最为科学合理的施工方案，确保整个防渗加固施工过程的顺利推进，争取取得最佳防渗处理效果。相关工作人员应该深入施工现场，对土石坝施工过程可能存在的隐患和险情作出准确评估，做好地质环境和水文资料全面勘察，对比较容易出现的各类结构问题进行确定和排查，并采取相应的除险加固措施[10]。在制定防渗加固施工方案的时候，必须要根据工程实际情况合理选用施工技术，保证施工方案的实用性和可靠性，对加固施工技术进行严格审查，确保施工质量，尽可能降低施工安全事故的发生几率。具体施工过程中，还需要土石坝加固质量检验工作，对施工质量和防渗效果进行评估，严格把控铺设厚度。结合土石坝施工的实际情况，就施工环境以及土石坝原貌进行综合分析，合理确定开挖和灌浆深度，做好施工排水处理措施，确保土石坝填充设计的合理性和规范性。我国目前大多数土石坝填充操作基本上都是采用振冲压实法，这种施工方式可以很好地保护土石坝原有土体，具体施工过程还要严格控制防渗加固施工技术，保证土石坝结构的稳定性和安全性。

结束语

总而言之，只有做好土石坝防渗处理工作，才能为水利工程的安全使用提供良好的基础环境，同时也为人们生产需求提供前提保障。砾质土料目前属于一种综合性能比较好的防渗材料，现如今被广泛应用于土石坝施工过程中，当然具体应用的时候还需要剔除砾质土料当中的一些粒径大的粗颗粒，以有效提升土石坝防渗处理效果，增强土石坝防渗性能。

参考文献

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