土石壩設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題

土石壩設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題

在世界各國(guó)的水庫(kù)建設(shè)中，土石水庫(kù)是最古老的水庫(kù)類型，也是創(chuàng)新和就業(yè)的水庫(kù)類型。建設(shè)的數(shù)量最多（據(jù)1995年統(tǒng)計(jì)，國(guó)外共修建了4396多座水庫(kù)，其中土石水庫(kù)3623多座，占總建筑面積的82%以上）。體積最大（1973年，美國(guó)新沙龍水庫(kù)體積為205954m3），高度最高（前蘇聯(lián)于1995年提議在塔吉克斯坦的羅貢斜壩上修建什科大壩，高度達(dá)尹斯坦）。我國(guó)是建造水壩最早的國(guó)家之一,據(jù)1995年統(tǒng)計(jì),我國(guó)已建成各類壩達(dá)88600余座,其中占總數(shù)的95%以上為土石壩。土石壩發(fā)展的原因很多,主要有巖土理論進(jìn)步、基礎(chǔ)適應(yīng)性強(qiáng)、利用當(dāng)?shù)夭牧?、施工機(jī)械演進(jìn)、抗震性能較強(qiáng)、使用壽命較長(zhǎng)、管理方便簡(jiǎn)單、造價(jià)比較低廉。土石壩雖然具有許多優(yōu)勢(shì),但由于受自然條件及勘測(cè)、試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理的影響,因此在各類壩型中土石壩的破壞又是最多(特別是小型土石壩)的壩型。且因土石料性質(zhì)復(fù)雜及試驗(yàn)落后于計(jì)算,并有許多假定,計(jì)算是粗糙的,即使用試驗(yàn),仍與原型存在不可避免的差異,至今仍處于半經(jīng)驗(yàn)、半理論狀態(tài)。筆者就土石壩設(shè)計(jì)中遇到的問題提出一些看法。1水庫(kù)變形控制措施變形是引起土石壩各種病害的重要原因。為減輕變形,尤其是不均勻變形,在設(shè)計(jì)中主要采取的措施如下。(1)選擇當(dāng)?shù)氐氖^宜選用變形小的土料;對(duì)防滲料宜用礫石土料;對(duì)壩殼料可用砂卵石料及巖石料;對(duì)高壩宜用硬巖石料。(2)水庫(kù)的平面組織將常用的壩軸直線作為向上游微拱弧線,這樣在運(yùn)行中因受水壓作用,致使壩體軸向應(yīng)力提高,從而減輕壩體變形。(3)壩體鋪料及壓實(shí)對(duì)壩體土石料填筑,若采用薄層(堆石料0.8～1.5m)鋪料,大型振動(dòng)碾(大于10t)壓實(shí),減小石料分離,并提高壩體壓實(shí)度,從而減輕壩體變形。(4)減輕變形試驗(yàn)盡量采用平行均衡升高,相對(duì)高差不宜過大,一般控制在10～20m范圍內(nèi),以減輕變形。為避免有的工程由于截流后的第一個(gè)枯水期,因搶筑渡汛高程,致使壩體前后部位高差很大,以致庫(kù)蓄后壩體產(chǎn)生變形過大,可備用材料提高填筑強(qiáng)度以控制前后部位高差。(5)順坡式基壩造林在兩岸開挖壩體邊坡宜緩,按規(guī)范巖坡不低于1∶0.75,土坡不陡于1∶1.5,宜要求避免突變或反坡。在峽谷中筑壩,多引起削坡量過大,對(duì)陡坡采用混凝土澆筑成順坡,并用鋪筑塑性粘土厚0.6～1.0m(土料含水量高于最優(yōu)含水量2%～3%)與陡坡相連接。大量土石壩運(yùn)行表明,做好壩體下游濾層的設(shè)計(jì)和施工是防止和避免土石壩滲流破壞的關(guān)鍵。2水庫(kù)防護(hù)傾斜壩殼壩坡依填筑材料和壩基性質(zhì)及壩高按工程類比與試驗(yàn)擬設(shè),現(xiàn)將墻壩與面板壩的壩坡簡(jiǎn)述如下。2.1沖擊石榴填筑法以往土石壩工程,多數(shù)用拋石填筑石料,拋石高差一般6～8m,個(gè)別達(dá)25～40m,加用6～7個(gè)大氣壓水槍沖擊石塊。這種填筑法常用壩坡堆石為1∶1.4～1∶3,卵礫石為1∶1.75～1∶3.5。國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐按壩高、壩殼料和壩基性狀的壩坡范圍:上游坡為1∶1.75～1∶3.0;下游坡為1∶2.0～1∶3.5,目前這種筑壩方法已較少采用。2.2平臺(tái)型毛石從20世紀(jì)60年代起始,不僅用料范圍拓寬,尤其是對(duì)堆石料采用大型振動(dòng)碾(10t以上)進(jìn)行碾壓,導(dǎo)致填石密度提高,一般毛石穩(wěn)定摩擦角為37.5°～45°,即坡度為1∶1～1∶1.3。土石壩利用壩坡堆石為1∶1.3～1∶2.0,卵礫石為1∶1.75～1∶2.5,其中面板壩坡因其邊坡更陡,故成為當(dāng)前廣泛采用的一種壩型。2.3未對(duì)壩體下游坡實(shí)施重降震治理(1)據(jù)美國(guó)伯利弗斯等人對(duì)智利柯爾巴(Colbun)土石壩(高116m),一次地震后未使該壩產(chǎn)生嚴(yán)重破壞的考察,并在美國(guó)加利福利亞大學(xué)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)證明,當(dāng)水平地震加速度a=1g時(shí),未對(duì)壩體下游坡引起嚴(yán)重破壞,所以認(rèn)為土石壩體下游坡為1∶1.35～1∶1.4是不會(huì)因地震產(chǎn)生嚴(yán)重破壞的。(2)紫坪鋪震害。紫坪鋪面板壩高156m,壩頂長(zhǎng)663.77m,頂寬12m,壩頂高程884.00m,堆石壩上游坡1∶1.4,下游壩坡在高程840.00m馬道以上為1∶1.5,其下壩坡為1∶1.4,平均壩坡1∶1.5。經(jīng)汶川5.12里氏八級(jí)地震,距震中約17km,震害導(dǎo)致壩體中部、壩頂下約1/5范圍干砌石松動(dòng),但下游壩坡漿砌石護(hù)坡完好。說明堆石壩坡在強(qiáng)震區(qū)采用壩坡1∶1.5是穩(wěn)定安全的。3壩上水面道建設(shè)依據(jù)土石壩運(yùn)行實(shí)踐,為了對(duì)土石壩的檢查缺陷維護(hù)修理和保持壽命及運(yùn)行安全,一般都要降低水位或放空水庫(kù)而設(shè)置放水道。據(jù)國(guó)外一些土石壩,尤其是高土石壩,如前蘇聯(lián)努列克、加拿大買加、美國(guó)新美濃、哥倫比亞契伏等工程設(shè)置了放水道,以確保運(yùn)行安全。我國(guó)早期修建的土石壩均為降低庫(kù)水位設(shè)置了泄水建筑物或放水道,但近年來也有不設(shè)置放水道的,見表1所示。設(shè)置放水道可對(duì)土石壩檢查、事故處理和維修加固提供有利條件,確保運(yùn)行安全,并建議充分利用導(dǎo)流或排沙建筑物,以降低設(shè)置放水道的費(fèi)用。當(dāng)然一些土石壩未設(shè)置放水道,對(duì)今后運(yùn)行中的壩體檢查、維修加固工作會(huì)帶來一定困難,且影響運(yùn)行安全,須引起重視。4水庫(kù)基礎(chǔ)防護(hù)4.1水平防滲方法土石壩最早是低的水中填石壩和均質(zhì)土壩,后逐漸意識(shí)到發(fā)揮材料各自特性,發(fā)展到中高的土石結(jié)合分區(qū)壩,即是斜墻壩和心墻壩。為了對(duì)分區(qū)壩結(jié)構(gòu)優(yōu)化,發(fā)展為當(dāng)今世界特高的塑性心墻壩和剛性斜墻面板壩。伴隨著土石壩由低到高,發(fā)展到特高壩的同時(shí),壩基防滲結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化。對(duì)中低的土石壩,常用水平防滲形式粘土鋪蓋,對(duì)于高土石壩,少數(shù)工程仍用水平防滲方法(如巴基斯坦塔貝拉(Tarbela)斜心墻土石壩高144m,采用粘土鋪蓋長(zhǎng)1740m,厚度由壩腳至起始點(diǎn)為12.5m漸減至1.5m,最大寬度2950m,填土料用量1600×104m3)并獲得成功。依據(jù)工程實(shí)踐,采用水平防滲方法,雖具有大面積施工、工期較短、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),但存在工程量相對(duì)較大,與基礎(chǔ)接觸面尤與岸坡部位結(jié)合較差,防滲效率低,效果不良,因此除低土石壩(堰)外,對(duì)中高土石壩不宜采用。所以迄今絕大多數(shù)中高土石壩,尤其是特高土石壩都采用垂直防滲方法,且在垂直防滲形式中,采用混凝土墻防滲,不僅大壩應(yīng)用,即使是臨時(shí)性的較高圍堰工程,都普通采用混凝土墻防滲,足以說明混凝土防滲技術(shù)成熟,安全可靠,是壩基防滲的最大優(yōu)勢(shì)。4.2水庫(kù)水平防滲法(1)鋪蓋長(zhǎng)度設(shè)計(jì)依據(jù)滲徑法擬設(shè)鋪蓋尺寸,按透水層深度變化,當(dāng)透水層深度淺時(shí),鋪蓋長(zhǎng)度約等于或稍大于透水層深度;當(dāng)透水層深時(shí),鋪蓋長(zhǎng)度至少等于或稍大于所承受水頭(H)3倍,且滿足允許滲流梯度和滲流量要求。鋪蓋厚度一般從上游起始處為δ=0.5～1.5m,至壩腳與壩防滲體連接處為δ≥0.25H。(2)層5cm或混凝土板為保護(hù)土工膜鋪蓋,在其上下兩側(cè)設(shè)粗沙層厚30～40cm及碎石層50cm或混凝土板。一般鋪蓋長(zhǎng)度與粘土鋪蓋相似,厚度依選用廠家生產(chǎn)的土工布和土工膜的特性,常用等厚,也有在起始處較薄,逐漸到壩腳增厚形式,實(shí)施中特別注意連接牢靠,否則易形成缺陷產(chǎn)生漏水。4.3確定滲流梯度從低土石壩實(shí)踐中總結(jié)出粘土鋪蓋防滲應(yīng)滿足基本條件為:(1)壩(堰)滲流量應(yīng)滿足允許滲流量,減少水量損失;一些國(guó)家技術(shù)規(guī)范要求水庫(kù)(主要是壩)總滲流量允許為河道多年平均流量的1%～3%范圍;我國(guó)土石壩規(guī)范要求防滲標(biāo)準(zhǔn)為Ⅰ、Ⅱ級(jí)及高壩為3～5呂榮,Ⅲ級(jí)以下中低壩為5～10呂榮。(2)滲流梯度應(yīng)滿足填筑粘土的允許滲流梯度。(3)粘土鋪蓋下臥層(如沖積、沉積、洪積、坡積層等)內(nèi)的滲流梯度不能超過下臥層中細(xì)粒的允許滲流梯度。(4)滲流出逸處不允許產(chǎn)生滲流破壞,滿足滲流穩(wěn)定。(5)壩體穩(wěn)定,滿足壩基防滲體后的滲壓條件。4.4水庫(kù)垂直滲透法(1)國(guó)內(nèi)外混凝土防滲墻墻厚的情況垂直防滲有灌漿帷幕(充填式灌漿和劈裂式灌漿)、高噴板墻、深層攪拌墻、土工膜墻及混凝土墻等。目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用混凝土防滲墻,雖然其技術(shù)要求較高,需專門設(shè)備,但其技術(shù)成熟,防滲安全可靠,設(shè)備人員普遍,工程量小。據(jù)實(shí)踐工程統(tǒng)計(jì),混凝土墻厚δ=0.3～3.0m,國(guó)內(nèi)常用δ=0.8m;墻深范圍d=20～154m,平均d=87m,且防滲效率一般每米深度約為水平滲徑的2倍以上。(2)混凝土墻厚度①混凝土墻與基巖連接,一般深入基巖或相對(duì)隔水層D=0.5～1.0m,因澆筑混凝土的自重下墜作用,一般接觸較好,唯在造孔時(shí)底部留存沉淀物,需在澆筑前徹底抽排出沉淀物。②混凝土墻與壩防滲體連接,建議采用意大利依科斯公司資料中第Ⅴ類型,插入