1.3　无限深透水坝基概念的理解

SL　274—2001《辗压土石坝设计规范》中对无限深透水地基的定义是：“当透水坝基深度大于建筑物不透水底部长度的1.5倍以上时，可视为无限深透水坝基。”由此可见，所谓“无限深透水”并非坝基真的深不可测且全是透水层，它只是一个相对概念，是相对“有限深”和“不透水”而言的。要真正理解无限深透水地基的内涵，还需要从地质的角度出发，了解透水覆盖层的形成过程，并根据地质状况的不同，将无限深透水地基进行分类，以使研究具有针对性。

1.3.1　覆盖层的形成过程

自然界松散的沉积层组成了地球最表面的覆盖层，这些覆盖层是原生岩石经过机械风化和化学风化作用产生的黏结程度不同的集合体，遭到风化的岩石在热胀冷缩的物理作用下，并在重力的影响下，会向坡下滑动，并在局部地方堆积起来成为崩积物。许多松散堆积的崩积物被水流、风、冰川及冰川融化了的河水从不同距离的源地搬运到停积场所而沉积，而且只有少数搬运来的沉积物是颗粒均匀的，大多数是质地不均匀的沉积层。

松散沉积物经过沉积和埋藏逐渐压密，或被黏结起来。有些地方沉淀在颗粒孔隙间的胶结物，把松散沉积物胶结成坚硬的似岩石状物体，有些地方不含黏性胶结物，颗粒孔隙却较大，相互松散分离。

松散物质的特性分类，随分类的目的而异。地质上把松散沉积物按不同的粒径范围进行命名，见表1.4。在水利工程中分类的重点放在注意松散物质的特性方面。这些特性关系到土体作为地基或开挖坡度的性能，以及作为建筑材料的性能等。

自然界的松散沉积物在其颗粒大小及其矿物学性质方面的变化是不同的。在工程实践中，松散沉积物常被称为“土”。在水利工程中，不论对于坝体填筑还是对于大坝地基，这些土在垂直和水平方向上的非均质性、渗透性等对坝体和坝基的渗流控制都有着重要的作用。

目前所修建的各种水工建筑物都是在地球表面的覆盖层上，只不过有的覆盖层较浅，可开挖到岩基；有的覆盖层土质条件良好，可直接在上面修建水工建筑物；有的覆盖层存在较浅透水层或承载力差，但只要通过简单的工程措施就可以满足设计要求等；而无限深透水地基比上述几种情况都要差些。

1.3.2　无限深透水地基的讨论

随着社会经济的迅猛发展，世界上很多地区都修建了大量的水利工程设施来满足生产和生活要求，因而许多良好的坝址已被利用。有些坝址，常因坝基地质条件缺陷，或库区地质条件不好，需要在工程设计及施工中，使用科学的方法和工程措施对其进行精心的研究分析和有效处理，以保证大坝的可靠蓄水和分流，一旦水库失事时，使人民的生活和生产所受的损失最小。

“无限深透水地基”就属于坝基地质条件存在缺陷的情况之一。有学者曾提出：“无限深透水地基按理论计算渗透流量将很大，所以不宜在其上建坝。”可是实际中，建在无限深透水地基上的大坝却早已存在，而且通过合理的渗控措施，这些水库运行良好，说明在无限深透水地基上建坝其渗流是可防可控的。

那么何为“无限深透水地基”？

首先从“透水”角度出发，严格地说世界上所有的土都是透水的，所谓“不透水”只是说其渗透系数很小，其透水性可以忽略不计而已。各种松散沉积物的相对透水性见表1.5。

按照透水性强弱可将坝基分为不透水坝基、有限深透水坝基、无限深透水坝基3类。其中有限深坝基又分为较浅覆盖层透水坝基和深厚覆盖层透水坝基两种情况。

通常说的不透水坝基，表明其坝基地质情况良好，大都属于低渗透性的岩土；有限深透水地基即表明坝基上存在一层（或浅或深）渗透系数较大（中等透水或强透水）的覆盖层，但覆盖层下面又属于低渗透性的岩土（不透水层或弱透水层）。以此类推，无限深透水地基表明透水层对工程渗流的影响比“深厚覆盖层透水地基”还要大，也就是说，用于“不透水层地基”或“有限深透水地基”的渗流理论或工程措施其中一部分已经不能适用无限深的情况，需要重新研究。

世界上大多数坝体是建在前两种坝基上，而且其渗流计算的理论和渗控技术的发展都已经基本成熟，但对于无限深透水坝基的渗流计算和渗流控制措施都还没有形成体系。

从地质结构的角度出发，无限深透水地基一般分为3类（图1.2）：

（1）单层无限深透水地基。地基中从上而下都是强透水层或中等透水层，深度大于或远远大于水工建筑物不透水底部的1.5倍。地基中可能夹杂有透镜体状的淤泥夹层或大的孤石，但不影响地基整体中强透水性的特点。

（2）二元无限深透水地基。地基上层存在一层深度不大且连续的相对弱透水层，该层渗透系数应该小于1×10－5cm/s，可以近似认为是天然铺盖。但其下为深度很大的强透水层，坝基整体呈透水性。

（3）多元无限深透水地基。地基上面或中间存在不连续的一层或几层相对弱透水层，其他部位为深度极大的强透水层，这些弱透水层在局部能起到防渗的作用，但强透水层对坝基的渗流影响起着主导作用。

总之，不管是单层、二元结构还是多元结构，虽然形式不同，但其共同特点都是深度极大的透水层在坝基渗透中占主导作用。当然，对于二元结构和多元结构的相对弱透水层，在设计坝基防渗体时要根据实际情况充分考虑。

1.3.3　无限深透水地基与深厚覆盖层地基的区分

无限深透水地基是相对的，并非真的是无限深。从无限深透水地基的概念来看，往往很难辨别出深厚覆盖层（有限深透水地基）和无限深透水地基的区别。首先，应该清楚无论是深厚覆盖层还是无限深透水地基都属于特殊的地基，都是岩性不连续、结构松散、成因类型复杂、物理力学性质呈不均匀性质变化的第四纪松散堆积物。深厚覆盖层一般指堆积物厚度大于30m的透水层；无限深透水地基与其的区别很难用具体的数字来衡量，对此问题可从两个方面进行探讨。

1.3.3.1　从渗流计算关注的角度来区分

毛昶熙在研究有限深坝基的渗流计算时发现，随着地基深度加大时，地基深度变化引起坝体浸润线位置的改变仅在一定范围深度内显著。当地基更深时，浸润线位置实际已不再改变。并推出了引起坝体浸润线变化的地基深度T1的计算公式：

应当注意的是：无限深坝基的深度若按上式计算，仅能确定出浸润线位置，而不能计算出真正的渗流量。也就是说，当地基的实际深度T＞T1时，按式（1.1）计算深度所确定的渗流量并不是实际的渗流量。

从上述角度出发，若渗流计算更看重的是坝体浸润线的变化，而对坝基渗流量并不太关注（如拦河坝），就可以将T1作为临界值，大于T1的为无限深透水地基，小于T1的为有限深覆盖层。

若渗流计算对坝体和坝基的渗流量要求必须控制在很小的范围，这样再以T1作为判别标准就没有说服力了，因此必须从渗流量的角度出发寻找一个新的临界值T2。当地基深度T＝T2时，坝基渗流计算的渗流量可以代表实际的渗流量，坝体和坝基的渗透坡降满足渗透稳定要求。此时若透水地基的深度T＞T2，可以认为坝基为无限深透水地基，反之为有限深透水地基，若此时T2相对较深，可认为其为深厚覆盖层。

因此，从渗流计算关注的角度出发来看，无限深透水地基与有限深透水地基的区别，主要以地基深度对渗流计算结果的影响以及渗流计算关注的主要问题来决定。

1.3.3.2　从工程措施（垂直防渗体）的角度来区分

坝基防渗的主要工程措施是垂直防渗墙和水平铺盖，水平铺盖因为在上游面铺设，施工难度小，尺寸控制也相对容易。而坝基垂直防渗墙要嵌入坝基内，其控制渗流的能力和坝基深度的关系更为密切，所以本小节主要从垂直防渗措施的角度出发来探讨无限深透水地基与有限深透水地基的区别。

对于透水地基来说，垂直防渗墙能直接截断透水层对水库的蓄水和大坝安全是最理想的，但很大一部分地基由于深度较大，垂直防渗墙只能做成悬挂式或半封闭式，不能完全截断渗流。随着科学技术的不断发展，施工机械和施工工艺也在不断地更新，垂直防渗墙的深度可以做到200m甚至可以达到250m，但在此基础上再加深几乎不可能了，并且造价会非常高。可以这样说，垂直防渗体的深度能达到多深，除了与地基的深度有关外，还要看施工机械和工艺的先进程度、工程造价和当地经济的承受能力，所以可以从垂直防渗的施工水平来将无限深地基和有限深地基区分开来。

若存在两个完全一样的土石坝，坐落在深度较大的透水地基A和B上，两地基除深度不同外，其他参数相同。在施工机械、工艺及经济条件完全相同的条件下，所能修建的防渗墙最大深度为s，而此深度刚好可以截断A地基深度，而B地基采用该防渗墙仍不能满足设计要求，我们可以认为B地基为无限深透水地基，而A地基可以认为深厚覆盖层透水地基。

这样论述和区分两种地基，只是表明适用于有限深地基的防渗体尺寸，不能完全解决无限深透水地基的渗流问题，而并不是说无限深地基的渗流是不可控制的。目前，工程实际中防渗墙做成悬挂式和半封闭式的也比较多，只要能根据工程实际的地质、水文、材料等情况，设计出合理的防渗体，也能起到事半功倍的效果。