土石坝筑坝材料来源于当地，坝址附近各种天然土石料的种类、性质、储量和分布以及枢纽建筑物开挖渣料的性质和可利用的数量等，是合理选择坝型、设计坝体断面型式和结构尺寸的重要依据。在选择土石料料场时，除了应尽可能靠近坝轴线以减少运输费用外，还要求石料储量充足、质量符合筑坝要求。

一般来说，土石坝对筑坝材料的要求较低，除了沼泽土、斑脱土、地表土及含有未完全分解有机质的土料以外，原则上均可用作筑坝材料，或经处理后用于坝的不同部位。填筑坝体的土石料应具有与其使用目的相适应的工程性质，并具有较好的长期稳定性。

1. 防渗体土料

防渗体是土石坝防渗的核心部分，它主要是利用低透水性的材料将渗流控制在允许范围内。防渗体应具有足够的防渗性和一定的抗剪强度，高心墙还应具有低压缩性。因此，对防渗体土料的要求是：渗透性低；较高的抗剪强度；良好的压实性能，压缩性小，且要有一定的塑性，以能适应坝壳和坝基变形而不致产生裂缝；有良好的抗冲蚀能力，以免发生渗透破坏等。

用作防渗心墙、斜墙和铺盖的土料，一般要求渗透系数k不大于10-5cm/s，它与坝身材料的渗透系数之比应尽量小。用作均质坝的土料渗透系数k最好小于10-4cm/s。一般塑性指数为7～20的土适合作防渗材料，塑性指数过大，则粘粒含量太多，不宜采用；过小则防渗性能差，也不宜用来防渗。

防渗体对杂质含量的要求比对坝壳材料高。一般要求水溶盐含量（指易溶盐和中溶盐的总量，按重量计）不大于3%；有机质含量（按重量计）对均质坝不大于5%，对心墙或斜墙不大于2%，特殊情况下经充分论证后可适当提高。

2. 坝壳土石料

土石坝的坝壳材料主要起保护、支撑防渗体并保持坝体的稳定，因而对强度有一定的要求。坝壳材料在压实后，应具有较高的强度和一定的抗风化能力，对于下游坝壳水下部位及上游坝壳水位变动区材料还应有良好的透水性。

粒径级配良好的无粘性土（包括砂、砂砾、卵石、漂石、碎石等）以及料场开采的石料和由枢纽建筑物中开挖的石渣料，均可作为坝壳材料，并根据其性质用于坝壳的不同部位。均匀的中、细砂及粉砂一般只能用于坝壳的干燥区，否则应对渗透变形和振动液化进行专门论证，并采取必要的工程措施。设计时应优先选用不均匀和连续级配的砂石料。一般认为颗粒不均匀系数η=d60/d10=30～100时较易压实，而当不均匀系数η<5～10时则级配不好，不易压实。

3. 排水设备的石料

对于排水设备，其所用石料应有足够的强度，且不易溶蚀，软化系数（饱和抗压强度与干抗压强度之比）不小于0.75～0.85，同时还要能抗冻融和风化。通常要求材料的饱和抗压强度大于40～50MPa，重度应大于22kN/m3，岩石孔隙率不大于3%，吸水率（按体积计）不大于0.8。作为反滤层和过渡层，其材料需质地致密坚硬，抗水性和抗风化能力较高，颗粒级配良好且粒径小于0.1mm的颗粒含量不大于5%。

2.3.7 土石坝地基处理

土石坝既可建在岩基上，也可建在土基上。由于土石坝是由散粒材料填筑而成，对地基变形的适应性比混凝土坝好，因此，土石坝对地基的强度和变形方面的要求比混凝土坝低；而土基往往渗透性强，容易产生渗透变形，所以在防渗方面的要求则与混凝土坝基本相同。土石坝地基处理的主要目的是为了满足渗流控制（包括渗透变形和渗流量）、动静力稳定以及容许沉降量等方面的要求，以保证坝的安全运行。

碾压式土石坝设计规范规定，当坝基中遇有下列情况时，必须慎重研究和处理：①深厚砂砾石层；②软粘土；③湿陷性黄土；④疏松砂土及少粘性土；⑤岩溶（喀斯特）；⑥有断层、破碎带、透水性强或有软弱夹层的岩石；⑦含有大量可溶盐类的岩石和土；⑧透水坝基下游坝址处有连续的透水性差的覆盖层。⑨矿区井、洞。下面介绍一些典型地基处理的基本方法。

1. 砂卵石地基的处理

当土石坝修建在砂卵石地基上时，地基的承载力通常是足够的，而且地基因压缩产生的沉降量一般也不大。对砂卵石地基的处理主要是解决防渗问题，通过采取“上堵”、“下排”相结合的措施，达到控制地基渗流的目的。

土石坝渗流控制的基本方式有垂直防渗、水平防渗和排水减压等。前两者体现了“上堵”的基本原则，后者则体现了“下排”的基本原则。垂直防渗可采用明挖回填截水槽、混凝土防渗墙、灌浆帷幕等基本型式，水平防渗常用防渗铺盖。

坝基垂直防渗设施应设在坝体防渗体底部位置，对均质坝来说，则可设于距上游坝脚1/3~1/2坝底宽度处。垂直防渗可有效地截断坝基渗透水流，如果技术条件可行且经济合理时，应优先采用。

1）明挖回填截水槽

当透水砂卵石覆盖层深度在10~15m以内，可在透水坝基上开挖深槽直达不透水层或基岩，向槽内回填与坝体防渗体相同的土料，并与防渗体紧密结合成整体。采用粘性土截水槽防渗，由于其结构简单、工作可靠、防渗效果好，在我国得到广泛的应用。

截水槽开挖边坡约为1:1.5，截水槽顶宽应尽量和防渗心墙厚度相协调；其底部宽度应根据回填土料的允许渗透坡降而定，一般对砂壤土允许渗透坡降可取3，壤土取3~5，粘土取5~10；另外，为便于施工，槽底宽还应不小于3.0m。槽底部与基岩连接时应把风化岩层挖除，并要求截水槽深入相对不透水的强风化或弱风化岩层0.5~1.0m。在截水槽两侧边坡应铺设反滤层。

为保证截水槽与底部不透水基岩完整结合，防止接触面发生集中渗流，一般应在槽底浇筑混凝土底板与齿墙，当基岩节理裂隙发育或有其他渗水通道时，还需在混凝土底板下进行灌浆处理。

2）混凝土防渗墙

当坝基透水层较厚，采用明挖回填截水槽施工有困难时，可采用混凝土防渗墙，其优点是施工快、材料省、防渗效果好，但需要一定的机械设备。

混凝土防渗墙可利用冲击钻机，在透水地基中建造槽（孔）直达基岩，并以泥浆固壁，采用直升导管，向槽孔内浇筑混凝土，形成连续的混凝土墙，起到防渗的目的。

混凝土防渗墙顶部与坝体的防渗体相连接，接触渗径应满足允许渗透坡降的要求；防渗墙底部嵌入弱风化基岩深度不小于0.5~1.0m，若底下基岩是透水的，还需要对基岩做灌浆帷幕。防渗墙厚度选择应考虑以下几点：①满足渗透稳定要求，这主要决定于允许渗透坡降，允许渗透坡降与混凝土抗渗标号相对应，防渗墙混凝土要求其抗渗性达到S8以上。②要考虑到机械施工条件；③考虑混凝土在渗水作用下的溶蚀速度；④按应力分析确定墙厚及是否配筋。我国已建混凝土防渗墙厚度均在0.6~1.3m范围内，一般厚度为0.8m。

3）灌浆帷幕

当砂卵石层很深时，用上述处理方法都较困难或不够经济，可采用帷幕灌浆防渗，或在深层采用帷幕灌浆，上层采用明挖回填截水槽或混凝土防渗墙等措施。

帷幕灌浆最常用的灌浆材料为水泥粘土浆和水泥浆，特殊情况下还可采用化学灌浆或超细水泥浆。对于岩基，当裂隙宽度大于0.15~0.25mm时采用水泥灌浆；裂隙宽度小于0.15mm时，普通水泥灌不进去，可采用细水泥浆或化学灌浆；当地下水具有侵蚀性时，应选择抗侵蚀性水泥或采用化学灌浆。

通常砂卵石地基的可灌性可用其可灌比M来评价，M可按下式计算：

M=D15/d85 （2-69）

式中：D15——受灌地基中15%的颗粒粒径小于该粒径，mm；

d85——灌注材料中85%的颗粒粒径小于该粒径，mm。

M＞15时可灌水泥浆，M＞10时可灌粘土水泥浆，M＜10时，可灌性差，可采用化学灌浆。

另外，还可以根据砂卵层的渗透系数来判别可灌性：K=800m/d时，可灌加细砂的水泥浆；K＞150m/d时，可灌水泥浆；K=100～200m/d时，可灌加塑化剂的水泥浆；K≤80m/d时，可灌粘土水泥浆；K=40m/d时，粘土水泥浆已不可灌。

灌浆材料的配比应由试验确定。一般所用的粘土水泥浆，水泥重量约占水泥和粘土总重量的20%~50%，水泥标号应在400号以上，粘土的塑性指数在20以上，粘粒含量大于40%，粒径0.1mm以上的砂含量不超过5%~6%。灌浆过程中浆液应由稀变浓。另外，为提高浆液的分散性和稳定性，还可在浆液中加入适量的亲水性塑化剂。

帷幕灌浆常设一排或几排平行于坝轴线的灌浆孔，布置于防渗体底部中心线偏上游部位。多排灌浆时，灌浆孔一般按梅花形布置，孔距、排距和灌浆压力可由现场试验成果或参照类似工程经验确定。

灌浆帷幕的渗透系数为10-4~10-5cm/s，允许渗透坡降一般为3~4。帷幕厚度应根据其所承受的最大水头及其允许的水力坡降由计算确定，对深度较大的帷幕，可沿深度采用不同厚度，做成上厚下薄的型式。

帷幕深度应根据建筑物的重要性、水头大小、地基的地质条件、渗透特性等确定。当地基下存在明显的相对隔水层，且埋藏深度不大时，帷幕应深入相对隔水层内5m；当坝基相对隔水层埋藏较深或分布无规律时，则应根据渗透分析、防渗要求、并结合类似工程经验研究确定帷幕深度。关于相对不透水层的标准，一般以岩石的单位吸水率表示，规范规定：对Ⅰ、Ⅱ级坝及高坝，基岩的单位吸水率ω值一般小于或等于3~5Lu，对Ⅲ级及以下的中低坝ω值一般小于或等于5~10Lu。

灌浆压力随深度增加而增大，最大灌浆压力可达4~8MPa。每次灌浆节高0.2~0.4m，以便集中压力把浆液灌入砂卵石地基。

4）高压喷射灌浆

高压喷射灌浆与静压充填灌浆相比，两者的作用原理有根本区别。静压充填灌浆是借助于压力使浆液沿孔洞进入被灌地层，当被灌地层孔隙或裂缝较小或不连续时，则呈不可灌或可灌性不好，当孔隙裂隙和孔洞较大时，可灌性虽好，但往往是浆液在压力作用下，扩散很远，难以控制；高压喷射灌浆则是借助于高压射流冲切掺搅地层，浆液只是在高压射流作用范围内扩散充填，有较好的可灌性和可控性。

高压喷射灌浆是先利用机械在地基内造孔，然后把带有喷头的灌浆管下至土层的预定位置，用高压设备把水以30MPa（或更高）的高压射流从喷嘴中喷射出来，用该射流冲击和破坏地基土体，当能量大、速度高、呈脉动状态的射流动压超过土体强度时，土粒便从土体剥落下来，一部分细小的土粒随着浆液冒出地面，其余土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力等作用下，与灌入浆液掺搅混合，并按一定的浆土比例和质量大小有规律地重新排列，在土体中形成连续的凝结体。

高压喷射灌浆可以在不破坏地面已有设施的情况下施工，灌浆帷幕自身及与地下建筑体或基岩可实现良好连接和结合，适用于各种天然松散地层，人工填筑土层，如砂层、砂砾层、砂卵石层、夹含漂石的超粒径地层及各类粘性土细颗粒地层。对存在异常渗漏情况的地基，如出现集中漏水通道，漏水性特大的地层，在施工过程中，可先进行静压灌浆或采取冲砂措施，形成反滤条件，然后再进行高喷灌浆施工，在喷浆过程中当某一孔段发生异常浆液损耗，冒浆量减少时，则应停止提升，加灌稠浆或粗颗粒浆，以形成连续的板墙。

工程实践证明，高压喷射灌浆防渗技术防渗效果好，适应性强，设备简单，施工速度快，比较经济，有很广阔的应用前景。

5）防渗铺盖

铺盖是一种由粘性土等防渗材料做成的水平防渗设施，通过延长渗径的方式起到防渗的作用。该防渗设施不能截断渗流，其防渗效果不如铅直防渗好，多用于透水层厚、采用垂直防渗措施有困难的场合（见图2-59），常与下游排水减压设施联合使用，以保证渗透稳定。

图2-59 防渗铺盖示意图

1-斜墙；2-铺盖

用于铺盖的粘土，其渗透系数应小于1×10-5cm/s，地基与铺盖的渗透系数比至少应在100倍以上，最好达1000倍。铺盖长度和厚度应根据地基特性和抗渗要求通过计算确定，其长度一般不超过6~8倍水头；其厚度从上游向下游应逐渐增大，应满足构造和施工要求。前端厚度按构造要求不小于0.5~1.0m，末端与坝身或防渗斜墙连接厚度应由计算确定，以避免由于坝体或防渗体与铺盖间的不均匀沉陷而导致连接处的断裂。另外还常将铺盖两端做成小槽伸入地基内。

铺盖与地基接触面应大体平整，底部应设置反滤层或垫层，以防止发生渗透破坏。另外，铺盖上面应设置保护层，防止发生干裂或冲刷破坏。铺盖两边与岸坡不透水层连接处必须密封良好。在连接处铺盖应局部加厚，以满足接触面的容许渗透坡降的要求。当铺盖与岩石接触时，可加做混凝土齿墙；若岩层表面有裂隙透水，应事先用水泥砂浆封堵，然后再填筑铺盖。

6）坝基排水设施

如果在透水地基表层存在有粘性土层时，由于渗流出口排水不畅，使渗透压力增加，有可能引起坝基发生渗透破坏，影响坝体的稳定。可在下游坝基设置排水设施。坝基排水设施有水平排水层、反滤排水沟、排水减压井和透水盖重等型式。

当地表粘性土层较薄时，一般只需在坝趾下游附近设置排水沟用以排水减压即可；当地表粘性土层较厚，而强透水层又较深，或含水层成层性显著并夹有透镜体时，可采用排水减压井与排水沟相结合的做法。通过排水减压井将深层承压水导出，然后从排水沟排走。

排水减压井是在钻孔中插入带孔眼的井管，井管的直径一般为20~30cm，井管周围需包上反滤料，必要时可采用多层反滤，也可用土工织物作为反滤料。井距一般为20~30m。

知识点：土石坝的筑坝材料

四川省水利工程土石坝建设与筑坝材料研究简述