第一节 挡水建筑物的运行与维修

拦截水流、抬高水位的水工建筑物，称为水电站的挡水建筑物。它有堰、坝和闸等。坝又可分为土坝、土石坝、堆石坝、浆砌石坝、混凝土坝等各种坝型。现将土坝和浆砌石坝叙述如下。

一、土坝的观测和维修

（一）观测工作

1.裂缝观测

土坝有各种裂缝，从位置上分：有表面裂缝、内部裂缝；从走向上分：有横向裂缝、水平裂缝、龟纹裂缝；从成因上分：有沉陷裂缝、滑坡裂缝、干缩裂缝、振动裂缝、冰冻裂缝等。当发生裂缝后，应立即观察位置，记录情况。对于平行于坝轴线的裂缝，观察其有无滑坡的迹象；对于垂直于坝轴线的裂缝，应注意是否形成贯穿上、下游的漏水通道。同时应妥加保护，防止雨水流入和动物践踏。裂缝宽度可直接用钢尺测量，深度可用钻孔取样的方法观测，认真记录裂缝的位置、走向、长度、宽度和深度。最后应绘制出裂缝分布图，以供分析和采取措施之用。

2.渗透观测

土坝的渗漏按部位分：有坝体、坝基、接触和绕坝4种；按渗漏现象分：有散浸、集中两种。坝体浸润线的变化，坝基渗水压力，绕坝渗流以及渗流量的变化等都是观测的项目。为了解土坝浸润线的位置变化，掌握土坝在运用期间的渗透情况，应在坝体中埋设测压管，进行浸润线观测，如图1-1所示。

在坝体中布置测压管时，应选定数个有代表性的断面，每个断面内的测压管不应少于3根，并应布置在横断面的中部和下游部分，应使观测结果能够说明铺盖、斜墙、排水设备的工作情况，并能绘出浸润线。

绕坝渗流是由于土坝与岸坡连接不好或岸坡过陡产生裂缝，或岸坡中有强透水间层，这样就可能发生集中渗流，造成渗流变形，影响坝体安全。绕坝渗流观测是为了了解坝头与岸坡接触处的渗流变化情况，判明这些部位的防渗与排水效果。绕坝渗流的观测也是在坝、岸连接轮廓线等处，埋设测压管，观测成果要以能绘出绕流的水位线为原则。

水库蓄水后，不仅坝体发生渗流现象，坝基同样产生渗流。土坝坝基渗水压力的观测，为的是了解坝基渗透层和相对不透水层中渗流沿程的压力分布情况，借以分析坝的防渗和排水设备的作用，估算坝基中实际的水力坡降，推测潜水是否可能形成管涌、流土、接触冲刷等破坏作用。坝基渗水压力的观测，也是在坝基埋设测压管进行观测，其位置根据地基土层、排水的设施、形式以及可能发生渗透变形的部位而定。

在渗流处于稳定状态时，其渗流量将与水头的大小保持稳定的相应变化，渗流量在同样水头情况下的显著增加和减少，都意味着渗流稳定的破坏。显著增加，有可能在坝体或坝基发生管涌或集中渗流通道；显著减少，可能是排水体堵塞的反映。一般正常情况，由于坝前的淤积，渗流量将会逐年缓降。渗流量观测为的是判断渗流是否稳定，防渗、排水是否正常。

渗流量的观测，在坝体排水设备的下游，用量水堰或量水容器测量渗透流量。注意渗透流量是否有异常变化，渗水是否浑浊或有无其他色泽，结合有关观测成果，分析判断其对土坝的影响。

渗透流量的变化，可采用三角形量水堰测量，其方法如下。

用3～5mm厚的钢板或3cm厚的木板制成三角形量水堰，如图1-2所示。

量水堰堰口是一个倒置的等腰三角形，其顶角θ一般为90°，缺口要做成锐缘，倾斜面为45°。利用木板制作时，要注意堰口应镶铁皮，保持锐缘整齐，才能量水准确。在安装使用时要注意：

（1）堰板直立，两侧水平。

（2）堰口距岸边距离T和堰槛高度P要大于最大过水深度。

（3）堰底、两侧无漏水。

（4）水尺零点与堰口齐平，刻度精确到1mm。

（5）最小过堰水深不小于5cm，25cm以内较准确。

3.变形观测

土坝坝体和坝基在荷载作用下，将会发生变形。土体变形主要由于孔隙水和空气被排出使孔隙变小而引起的，这个过程称土体固结。土体固结使土面下沉称为沉陷。又因坝体填土厚度不同，坝基土面也不是个水平面，在水压影响下，土体固结时，坝面土粒不是垂直下沉，而有水平方向的移动，称水平位移。

土坝发生固结、沉陷和水平位移都是客观现象。如发生异常情况，可能引起土坝产生裂缝、滑坡等破坏现象。为了保证土坝的安全和稳定，要进行变形观测。

沉陷观测，通常是在地面和各种有代表性的断面，在不同高度位置上设立固定标点，用较精密的水准仪来观测这些标点的沉陷量。对于纵断面的沉陷量，固定标点一般布置在坝顶上，间距约为25～30m；对于坝坡变形的观测，固定标点布置在下游坡上，每隔10～20m设一个。固定标点应坚固可靠。当测出填土高处的标点下沉少，而填土低处的标点下沉多时，这说明土坝的沉陷不正常。当上部标点下沉，下部标点反而上升时，这可能是基础断层产生不均匀沉陷或发生滑坡，应及时查明原因，进行处理。

土坝的固结观测是在坝体选择有代表性的地方，埋设固结管或深式标点组，测出各测点的高程变化，从而算出固结量。

土坝的水平位移，通常在坝面设置若干测点，一般用视准线法观测，测出各测点的水平位移量。

坝体现象的观察，应注意有无害虫、害兽的活动痕迹。如发现上述痕迹后，应进一步追查有无鼠穴、獾洞、白蚁窝等隐患。同时，注意观察坝体有无滑坡、塌陷、坍坑、表面冲蚀及坡脚凸起等现象。对于护坡块石，应注意有无翻起、松动、塌陷、垫层流失、架空或风化变质等损坏现象。对于坝顶路面及防浪墙，应注意是否完好，有无塌陷、裂缝等情况，及时做好记录，以供维修时分析研究。

（二）土坝的维修

1.裂缝的原因分析和处理

（1）原因分析。裂缝种类很多，开裂原因也不完全相同。当属于表面裂缝时，不论是纵向裂缝、横向裂缝，造成开裂的原因大都是坝基地质不同，物理力学性质差异很大，筑坝后压缩变形不一。尤其坝体跨越山脊，坝体固结沉陷时容易引起裂缝；坝内刚性体（坝头挡土墙、坝内埋设管道、刚性心墙等），其压缩性远小于地基土料；施工碾压不实，坝体干容重太低或压实度不同；分段分期施工，进度不平衡，填筑层高差过大，接合面坡度太陡；水库水位骤降，迎水坡产生较大孔隙水压力，容易产生纵向裂缝，甚至滑坡等。至于属于内部的水平裂缝，如图1-3（a）所示，为薄心墙，边坡陡，断面窄，心墙的后期可压性比两侧坝壳大，心墙下部沉陷，上部挤在上下游坝壳之间，其重量由于剪力和拱的作用，传递到坝壳以致上部不能下沉，将心墙拉开形成水平裂缝。有的土坝在峡谷高压缩性地基上修建，如图1-3（b）所示，坝基和坝体沉陷过程与上述情况相似，上部坝体的重量传递到两岸山坡，由于拱的作用，上部坝体不能同时沉陷，坝体受拉形成水平裂缝。凡是遇到下述现象：如土坝碾压较差，又无其他因素影响，而其沉陷量比设计值还小的；沉陷、位移量较大的坝段；相邻坝段沉陷量悬殊时；库水位升到某一高程时，无外界影响，渗漏量突然增加且成规律；钻探时孔口无回水，或钻杆突然掉落时等，应注意其可能产生内部裂缝。

土坝发现裂缝，除进行观测外，还要经过细致的分析研究，找出造成开裂的原因，对症下药，问题就解决得好些。判别裂缝，要掌握它的特性。如滑动裂缝初期发展较慢，而后期突然加快；沉陷裂缝则发展过程缓慢，并到一定程度而停止。

1）纵向沉陷裂缝。对于粘土心墙坝，往往仅重视心墙的填筑，而忽视了两侧砂壳和砂壤土过渡部分的填筑质量，如心墙坝填筑过高，两侧砂壳过低，且一般不重视砂壳压实，甚至有的根本没有压实措施，而造成运用初期砂壳的沉陷远远大于心墙的沉陷，致使坝体因受剪而产生纵向裂缝。有些土坝由于分期加高和压实欠佳，造成贴坡接触不良，也会引起坝体在贴坡处出现纵向裂缝。

2）纵向滑坡裂缝。山区或丘陵地区，在压缩性较小的地基上建造土石混合坝，由于坝坡陡，筑坝压实不够，蓄水后发生骤降库水位，导致产生纵向滑坡裂缝；在软粘土地基上筑坝，由于坝基压缩性高，先期沉陷快，强度低等，加上事先准备工作和分析研究不够，施工时又没有控制好上土速度和填土质量，导致产生坝体纵向滑坡，出现纵向裂缝。

3）横向沉陷裂缝。一般出现在土坝与两岸土坡结合不良、压实不密的坝段，或由于岸坡过陡，致使坝身填土高差悬殊，坝身压缩变形不同，造成裂缝。

横向裂缝的危害性较大，当裂缝深到水位以下时，可能产生集中渗漏，导致险情。因此，需要对横向裂缝严加注意。

4）干缩裂缝。这种裂缝主要是填土由湿变干的体积收缩，施工时由于坝面暴晒，没有层面保护，或分期施工时交接面没有处理好而引起的。筑坝土料越粘，含水量越高，则越易出现裂缝。这种裂缝一般产生于面层，呈无规则的龟裂。

（2）裂缝的处理。一般采用开挖回填和灌注黄泥浆两种方法，或者两种方法结合使用。对于因边坡不稳定或软粘土地基强度低而引起的裂缝，可采用放缓边坡及增加坝坡盖重的方法处理。

开挖回填是处理裂缝比较彻底的方法，适用于深度不大的浅层裂缝及防渗部位的裂缝。具体的方法是：沿着裂缝方向开挖梯形沟槽，如图1-4所示。为了开挖时便于检查裂缝走向，开挖前可将裂缝灌入少量石灰水。开挖的底部宽度约为50cm，开挖深度要比原裂缝深50cm左右，然后用原筑坝土料按原来密度分层回填夯实。必要时，可增挖垂直于裂缝的沟槽，以使结合良好。

当裂缝很深，开挖困难或危及坝坡稳定时，可采用灌注粘土浆。灌注浸润线以下的裂缝，可采用粘土水泥浆，以便加速凝固，提高强度。水泥的渗入量一般为干料的10%～30%。具体做法是：首先选择较宽的裂缝，在较深的部位预埋0.5～1英寸钢管（或打通的粗竹管），平均缝距2～3m埋一根管子灌注，其余缝段用土夯实封闭，以防漏浆。

如果没有灌浆机，可采用重力灌浆的方法，即利用浆液的自重作为灌注的压力。浆桶的位置应比灌浆的地点高10m以上，使粘土泥浆灌入裂缝。

当使用灌浆机时，为了保证施工安全和灌浆质量，应因地制宜合理地控制灌注压力，不能过大或过小，压力较大，加大泥浆扩散半径，减少灌浆孔数，且在较大压力下，浆液析水较快，能够获得较大的泥浆密度，但压力过大，对坝体稳定将会造成不利影响。采用最大压力应小于灌浆部位以上的土体重量。灌浆压力的大小，一般通过试验确定。

灌浆的浆液由粘土、水泥加水混合而成，其浓度应由稀逐渐变稠。有的工程采用干料的配比（按重量）为1∶0.25～1∶0.3（粘土∶水泥），干料和水的比例是1∶4～1∶2。有些工程水泥用量更小，应视具体情况而定。

由于滑坡而造成的裂缝，既不可用灌浆法处理，也不可任意开挖基础附近的坝体，以免破坏自然极限平衡条件而加剧滑动土体的滑坡。

处理因坝身碾压不实，浸润线过高而造成背水坡滑动的滑坡裂缝时，在有条件放空水库的情况下，应以上游防渗为主，辅以下游压坡、导渗和放缓坝坡的方法处理；当不能放空水库时，则应首先进行坝体排渗，以降低坝体浸润线的高度，如在滑坡下部做反滤暗沟，在坝脚加设反滤层；其次，在滑坡体脚采用筑土料撑台或压重固脚措施，以阻止向下滑动。然后根据滑坡体的大小进行压坡、贴坡等彻底处理。

2.渗漏的原因分析和处理

土坝的坝基、坝体都有一定的渗水性。如渗水从原有导渗排水设施排出，其逸出坡降不大于允许值，不会引起土体破坏，称正常渗漏。凡是渗透能引起土体破坏和影响蓄水兴利的，称异常渗漏。

（1）原因分析。

1）坝基渗漏的主要原因。基础或两岸山坡接触处理不善，施工时清基不彻底，没有将淤泥杂物等清理干净；开挖基础没有挖到不透水层，或透水层很深，截水墙、铺盖和坝下游坡脚的反滤层不符合设计要求或设计不当；基础有泉眼、溶洞、断层或破碎带没有处理好等。

2）坝体渗漏的主要原因。除由于设计的坝体断面单薄、边坡太陡，渗水从滤水体以上逸出等设计原因所造成外，施工时由于坝体填筑质量控制不严，特别是粘土防渗体质量控制不严，致使碾压达不到设计要求的密实度；分段填筑时，土层过厚或分层碾压时层面处理不好；大坝堵口，抢进度，忽视质量而留有隐患；土质不纯，含砂过多，透水性大，土中含有草皮、树根等杂物造成孔隙，引起渗漏；因坝身年久被动物打洞营窝造成孔穴或集中渗漏通道；坝脚反滤层失效，排水不良，引起浸润线升高，长期失修以致渗漏和管涌。

3）涵管漏水的主要原因。坝身涵管由于基础产生不均匀沉陷，或因土坝多次加高，荷载应力超过涵管原设计要求强度而产生断裂；涵管周围填土不实，结合不好，或未设截水环，形成沿管身渗漏；有些涵管强度低，接头处理不善，砌筑不密实造成渗漏。

（2）处理措施。土坝渗漏处理的原则是上截、下排。上截是在坝轴线以上封堵渗漏入口，截断渗漏途径。如抛土放淤，重做粘土铺盖、粘土斜墙、粘土截水墙、粘土灌浆、砂浆板桩、连锁井柱、混凝土防渗墙等。下排就是在下游采用导渗和滤水措施，使渗水不带颗粒，迅速安全排出，如导渗、压渗、减压井等。

1）对于坝基渗漏，当不能放空水库时，可采用在上游水中抛土的方法，把粘土抛入漏水进口处，沉淀后形成铺盖；在下游可加做反滤层等导渗设施。当有条件放空水库时，可以从迎水坡坝脚开始，沿河床底做粘土铺盖处理。

粘土铺盖的长度应满足地基中的水力坡降小于或等于允许值的要求。一般在水头较小，透水层较浅的工程中，其长度为水头的5～8倍；如水头较大，透水层较深时，采用水头的8～10倍。铺盖的厚度应保证铺盖不因受渗透压力而破坏，其前端厚度一般为水头的1/10，用碾压法施工不宜小于1～2m，靠近坝趾处厚度可采用水头的1/4，但极少有超过4～5m的。其他各处厚度参照式（1-1），即

式中 t_x——铺盖厚度，m；

H_Z——铺盖任意点的上、下水头差，m；

J——铺盖土料的允许渗透坡降，无试验资料时，可参考粘土采用4～6；壤土较粘土减小20%～30%。

2）对于坝体渗漏，应根据渗漏程度不同，而采取不同的处理措施。如上游采用粘土斜墙防渗，下游采用导渗来解决。有的采用连锁井柱、套井回填的方法处理。

套井回填处理坝体渗漏，是利用打井机冲抓钻在坝体渗漏的地方造孔，然后用粘土进行分层回填，并利用冲抓钻的动力和卷扬机设备，带动夯锤加以夯实，一个个套井连接成截水墙，截断坝身或基础的渗流，如图1-5所示。与其他办法比较，套井截水墙具有省工省料，效果显著，处理彻底的特点。处理操作分为造孔、回填、夯实、检查等4个环节。

①造孔。造孔前应尽早将水库蓄水位放低到要求处理的高程以下；在需要处理的坝段整修操作平台架设钻机；将钻头对准事先指定好的井位桩，开钻造孔。第一个孔打完后粘土回填好，再继续打第二个孔。为了保持井孔垂直度，造孔程序应相间一个孔进行，即先完成奇数井，再间插中间偶数井，如图1-6所示。

处理坝段的长度与渗漏范围有关，一般从渗漏点向左、右沿坝轴线延伸约坝高的一倍距离，对均质坝、心墙坝，可沿坝轴线或心墙的中心线布孔。截水墙深度，建议做到填筑较密实的、渗透系数与截水墙接近的土层内。但必须处理到漏水层以下的一定深度，或与坝体上游面防渗铺盖以及截水槽相衔接处。对于坝基渗漏，最好处理至新鲜岩基。

井孔间要有一定的搭接，以保证在一定水头下有足够抵抗破坏坡降的有效厚度，如图1-7所示。

②回填。回填土料要选择符合粘性土料物理力学的要求，应具有粘性大，易夯实，抗渗性能好的特性，不允许掺杂树根杂质。回填时最好控制在最优含水量附近，以使夯实较好。在底层回填土料时，要把井底的浮土、碎石清理干净，并保持无水。井内有渗水时要抽干，然后回填粘土。如井壁有渗水，应在渗水方向布置副井，用深井泵抽吸，拦截渗漏水，保证主井的回填。如图1-8所示。

处理坝基漏水时，在砂砾石地基及崩坍体上打套井时，要注意地基内是否夹有较大孤石，要仔细地检查，并用井下爆破彻底清除。

回填铺土要均匀，分层填筑，松土层不宜过厚，一般以25～30cm为妥。

③夯实。合理夯实是提高填土密实度和抗渗强度的重要环节，对保证填土的质量有着很大的作用，应当认真对待。经过多次试验证明，选定直径95cm，高40cm，重580～650kg的石夯锤，夯锤的底部做成15cm凸度弧形椭圆球面，夯实效果较好，不仅能获得较高的容重，而且挤实了井壁四周土体，促使新老土较好结合。

夯实时，为避免振动过大，对老坝体带来影响，按每立方用86t·m的击实要求，可增多夯击次数，减少落锤高度。在锤重650kg时，落锤高度1.5～2.0m左右，夯实土层厚度23cm，根据选用的土料，经夯击15次，达到与现场容重试验相符的结果，符合设计要求。在工地施工中，还应根据容重试验来确定压实质量。

④检查。包括井孔检查和回填土质量检查两个方面，检查是处理过程中极其重要的环节。套井回填粘土截水墙，加固了土坝，处理了隐患，在进行工作的同时，对坝体质量也有了全面的了解。在处理过程中根据井孔检查情况，在比较严重的集中渗水部位，适当增加套井排数，在渗水侧打加强井，如图1-9所示。在套井的两侧各增一排加强井使截水墙有效厚度增加。施工中井壁有较大范围塌方时，在发生塌方的一侧增加加强井，加厚截水墙，达到加固防渗体的目的。

在套井回填粘土时，还需对填筑土料的容重、含水量和渗透性能等进行试验检查。对回填土料土质要随时注意是否符合设计要求，防止粗料含量过多、半风化料混合掺杂进来。在井孔回填中，要做好压实检查、质量检定，使回填质量掌握在设计要求范围，务必使回填体土的孔隙减少，即减小渗透性、压缩性，相应提高土的强度，增强抗渗性能。沿套井轴线方向每隔一定的距离，应用渗透仪现场测定套井回填土与原防渗体的渗透系数并作对比，以提供校验渗透稳定计算的数据。

二、浆砌石坝的观察与维修

1.渗透观察

对坝体、地基、两岸接头部分，认真观察有无渗透现象。当发现渗透现象后，进一步观察其渗漏面积和程度，并注意有无游离石灰及黄锈析出。渗漏程度可分湿斑点和漏流两类。漏流又可分为点滴流、细流、射流。将渗漏水引入容器，直接量出渗漏水的容积和重量。通过观测，做出记录，提供维修资料。

2.坝体观测

在地基岩石有断层或岩层节理较发育的地方，应经常观察其外露部分有无变形、错动、张开等现象，并分析其对建筑物的安全状况的影响。汛前、汛后和用水期前后，都要观察输水、泄水建筑物有无裂缝、气蚀和磨损，建筑物的边墙、底板有无淘刷，各部位的排水孔道有无堵塞现象。根据运行后的实测扬压力值，研究扬压力的变化，并与设计采用数值对照，复核坝的稳定安全情况。同时观察坝体表面有无脱壳、松软、侵蚀等情况；防渗护面是否损坏，迎水面的浆砌块石是否因砂浆干缩产生裂缝引起漏水。可采用木锤敲击坝体块石和砂浆的表面，以判断是否有脱壳和侵蚀的情况。

3.排水系统的观测

应观察坝内的排水系统是否完好，如排水沟、管、廊道是否畅通，下游河床的消能设备是否符合设计要求，是否起到消能作用。

4.渗漏处理

对于坝身沉陷引起的防护面渗漏，可采取补浇混凝土或钢筋混凝土，做喷浆盖面或沥青盖面等方法，恢复防渗护面的不透水性。对于迎水面的混凝土（或钢筋混凝土）的防渗面产生裂缝引起的渗漏，可采取钻孔灌浆的方法处理。

灌浆的材料和方法各地有许多先进经验。有的采取“聚氨酯”及“丙凝”灌浆堵漏收到良好的效果。经过灌浆处理表明，“聚氨酯”材料对防渗堵漏的固结性能良好，与“丙凝”相比具有较高的强度，可用于地下结构的防渗，松散地基的加固，断层处理，水工建筑物混凝土的裂缝止水等。在使用时，应合理地选用粘度比较适宜的浆液，如对细裂缝或细砂层的灌浆，应选择粘度较低的浆液；反之，裂缝大、流量大，则选择粘度大的浆液。有时甚至还需要加入一定的填料，使其发挥堵漏作用。

“聚氨酯”、“丙凝”材料对防渗堵漏有较好的效果，但目前价格较贵，原材料的来源也有一定限制，因此，在使用时应考虑在水泥灌浆材料不能见效时，采用上述材料，更有其实用意义。

5.坝体失稳的加固处理

由于坝体结构偏小或基础承载能力不足，或原采用地基摩擦系数偏小时，坝体可能发生倾覆、滑动，需要进行加固。加固措施有的是增加坝体有效重量，以维持平衡；有的是采用接触灌浆，使坝体与基础连接更好；有的采用重力墙支撑，如图1-10所示。图1-11是结合处理裂缝漏水的加固措施。

由于扬压力引起的失稳，主要是基础处理不好，防渗设施不善，加之排水导渗设施失效，蓄水后引起扬压力增加，建筑物失稳。处理这种失稳的措施，除上述办法外，还应在坝坡的上游加强防渗设施，下游改善或增设导渗措施，以期达到降低坝的渗透压力。