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在俄羅斯，大量低水頭水電站建在中小河流上，壩型均為土石壩，多數(shù)壩都是幾十年前修建的。建壩材料就地采取壤土和砂壤土等，料源豐富，料場距壩址近，經(jīng)濟(jì)合理。但在長期運(yùn)行中，受自然氣候等因素的影響，大壩主體填筑料已經(jīng)發(fā)生不同程度的損壞，病害還在持續(xù)發(fā)展，甚至有發(fā)生潰壩的危險(xiǎn)，因此有必要采取有效可行的維護(hù)和修復(fù)措施。

圖1所示為建在小河上的低水頭水電站土壩的典型剖面，設(shè)計(jì)時(shí)大壩下游坡主要考慮降水沖刷穩(wěn)定問題。為防止氣候條件所產(chǎn)生的這種侵蝕，通常在下游坡面種植多年生草本植物。 然而由于年久失修，壩頂和下游壩坡往往發(fā)生兩種形式的破壞，一種是水通過壩體的滲透作用造成的,另一種是在高水位期和洪水期間庫水漫頂造成的。

圖1 低水頭水電站土壩橫剖面

研究表明，全區(qū)所有的土壩中超過35%的土壩運(yùn)行狀態(tài)不佳，需要立即修復(fù)或重建，避免發(fā)生進(jìn)一步可能的破壞。

為了避免低水頭土壩和小型水電站設(shè)施發(fā)生破壞，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行修復(fù)，首先要安裝移動(dòng)監(jiān)測儀器，監(jiān)測建筑物的運(yùn)行狀況。

下一步就是要根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)研究提出有效的修復(fù)方法，提高低土壩運(yùn)行的可靠性。提出的土壩維修及翻新方案應(yīng)具有建設(shè)性，能夠防止壩頂和下游壩坡發(fā)生破壞，這就需要開展一系列的研究，為水電站的重建服務(wù)。

為了確保這些小型土壩未來的安全運(yùn)行，研究人員提出了在土壩建設(shè)中采取的兩種措施：①使用粗粒多孔混凝土；②使用土工袋。

1 粗粒多孔混凝土

混凝土中只加粗骨料，而不使用細(xì)骨料。粗粒多孔混凝土用推土機(jī)推平，使之平鋪在建筑物表面，不需要支護(hù)。使用粗粒多孔混凝土的技術(shù)在其他文獻(xiàn)中有詳細(xì)描述。

為了提高土壩的可靠性，特別是下游壩坡的穩(wěn)定性，建議在下游壩坡粗粒多孔混凝土下鋪一層反濾層。 粗粒多孔混凝土具有良好的排水功能，有效地保護(hù)下游壩坡，并將壩體中的滲水排出。

2 土工袋

這種方法擴(kuò)展了水壩的功能，具體來說就是使得土壩產(chǎn)生了額外集中荷載，能夠承受庫水的壓力，增加了水庫的防洪庫容，使得洪水可以安全地流過壩頂和下游壩坡。當(dāng)修復(fù)方案需要對壩頂和下游壩坡進(jìn)行特殊加固時(shí)，即可以采用土工袋這種方法。

為了使壩頂和下游壩坡的加固設(shè)計(jì)具有競爭力，必須滿足以下主要條件：

(1)成本低;

(2)施工快捷，應(yīng)當(dāng)制造一種特殊的設(shè)備，適合在斜坡上施工；

(3)施工設(shè)備易于拆卸和維修，主要的加固構(gòu)件應(yīng)能重復(fù)利用;

(4)能夠有效地消散下泄水流的能量。

對土石壩壩頂和下游壩坡現(xiàn)行加固方案的研究表明，這些方案存在各種各樣的解，其中大多數(shù)存在缺陷。這些傳統(tǒng)技術(shù)方法的主要缺陷是消耗材料多、實(shí)施復(fù)雜、成本高。

作者認(rèn)為，在壩頂及下游壩坡使用土工袋進(jìn)行加固處理，可以顯著減少這些缺點(diǎn)。用土工合成材料制成土工袋，袋內(nèi)填充砂和土。無紡?fù)凉げ疾牧现瞥傻耐凉ご笟馔杆?，挖泥船挖出的泥漿通過軟管裝填到土工袋中，水通過透水的土工材料排走。土工袋也可以用挖土機(jī)械填充，如挖掘機(jī)。 填充后的土工袋橫截面是一個(gè)復(fù)雜的曲面，具體取決于充填料的性質(zhì)和裝填設(shè)備產(chǎn)生的壓力。

SGASU發(fā)明的這種設(shè)計(jì)，用土工袋作為壩頂和下游壩坡的防護(hù)，設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 溢流土壩設(shè)計(jì)方案

土工袋的設(shè)計(jì)特色概括如下：

(1)填土土工袋增強(qiáng)了壩頂及下游壩坡?lián)跬梁蛽跛Y(jié)構(gòu)的功能。

(2)在土工袋和壩體填土的接觸帶，為防止土顆粒被沖蝕掉，鋪設(shè)無紡?fù)凉げ甲鳛榉礊V。

(3)必要時(shí)，為確保土工袋的穩(wěn)定性，沿壩體內(nèi)土工袋邊緣布鋼筋網(wǎng)和錨固設(shè)施。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案耗材多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。提出的土壩新設(shè)計(jì)方案，使用廉價(jià)的土工袋，利用當(dāng)?shù)夭牧咸畛?，施工設(shè)備(如挖泥船)效率高，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的這些缺點(diǎn)，滿足了快速和方便施工的要求。

為了獲得這種土壩設(shè)計(jì)對水流過下游壩坡時(shí)的水力條件和水流下泄時(shí)消能系統(tǒng)參數(shù)的影響等資料，進(jìn)行了模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)使用流線槽進(jìn)行，玻璃槽段長5.6 m，寬0.23 m，高0.9 m，比例1∶20。

要模擬水流過土壩的水力學(xué)特征，所建立的模型需要在幾何形態(tài)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)上與實(shí)際大壩具有相似性，暢流的標(biāo)準(zhǔn)相似方程通常以下式表示：

(1)

式中，F(xiàn)r和Re表示流體力學(xué)相似準(zhǔn)則。

為了確定槽中水流的參數(shù)，在模型槽中的上下游分別設(shè)置了觀測點(diǎn)，觀測水位和水深。觀測重復(fù)多次，并計(jì)算各次測量值的平均值。在第一躍后水深區(qū)內(nèi)的水流深度用下式計(jì)算：

(2)

式中,q表示單位流量,m3/s；h2表示第二躍后水深，m。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，結(jié)果以特性曲線的形式表達(dá)，說明這些參數(shù)與相對單位下泄流量有關(guān)，并用下式表示：

(3)

式中,q為單位流量，m2/s；P為溢流壩高，m；H0為壩頂水壓，m。

相對單位排泄量與相對躍后水深的關(guān)系

h=f(q)

(4)

大壩模型的臺(tái)階狀下游坡采用不同斜率(m)的曲面構(gòu)件建成，根據(jù)大壩下游坡的實(shí)際情況分別取1、2、3。相對躍后水深用下式計(jì)算：

h=h2/h1

(5)

式中,h1和h2分別為第一和第二躍后水深。

在其他條件相同的情況下，對下游壩坡為臺(tái)階狀和斜坡狀進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)：在研究的相對單位下泄流量變化范圍內(nèi)，在曲面構(gòu)件形成的臺(tái)階狀下游壩坡的第一躍后水深h1比在斜坡狀下游壩坡的高20%～30%，而第二躍后水深h2前者比后者低20%～25%。據(jù)此計(jì)算的相對躍后水深值隨著斜率的增加而降低：m=1時(shí),減少35%～50%；m=2時(shí)，減少40%～55%；m=3時(shí)，減少45%～60%。

結(jié)果證實(shí)，所提出的由曲面構(gòu)件形成的臺(tái)階狀下游壩坡的大壩設(shè)計(jì)方案減緩了水流過下游壩坡的速度。因此可以確定，臺(tái)階狀下游壩坡可以有效地消散下泄水流的動(dòng)能。

由于提出的設(shè)計(jì)方案具有成本低，維護(hù)簡便等特點(diǎn)，同時(shí)能很好地消散下泄水流的能量，因而具有較強(qiáng)的競爭力。

3 結(jié) 論

低土壩設(shè)計(jì)使用壽命較長，然而隨著時(shí)間的推移，壩體逐漸發(fā)生損壞。為了確保安全運(yùn)行，應(yīng)對壩頂和下游壩坡進(jìn)行翻新，并對下游壩坡進(jìn)行加固，防止進(jìn)一步破壞的發(fā)生。

修復(fù)工作時(shí)，選擇使用了粗粒多孔混凝土或充土土工袋形成壩殼，洪水來臨時(shí)可以直接漫過壩頂和下游壩坡。

這種修復(fù)方案具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：比加固下游壩坡的成本低，施工技術(shù)簡便，加固構(gòu)件在短期內(nèi)可以拆卸、維修或重復(fù)使用。

水力模型研究表明，這種新型的溢流壩設(shè)計(jì)方案可以更好地消散下泄水流的過多動(dòng)能，曲面土工袋形成的臺(tái)階狀下游壩坡比斜坡狀下游壩坡多消能35%～60%。