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        土石壩壩型及幾個相關問題的探討

        2015-10-21 17:15:42楊靖
        建筑工程技術與設計 2015年28期
        關鍵詞:壩型土石壩

        【摘要】土石壩是一種歷史悠久、又充滿活力的壩型,通過土石壩的發(fā)展概況介紹,圍繞土石壩壩型和主要的幾個相關問題,簡明清晰地探討了土石壩發(fā)展的脈絡、壩型種類及當前主流壩型、以及防滲體系、反濾層、覆蓋層處理、料源問題等,結合具體的工程經驗,引進一些較為成熟的經驗或技術原則。

        【關鍵詞】土石壩;壩型;防滲體系;覆蓋層處理;安全高效;經濟合理

        1 引言

        土石壩指由土、石料或混合料等當?shù)夭牧?,經拋填、輾壓等堆筑成的壩,是一種歷史悠久、最為普及和常見的壩型。上世紀50年代近代以來,土石壩筑壩技術結合工業(yè)水平尤其是機械制造業(yè)、電子計算機計算的發(fā)展而發(fā)展;20世紀70年代后期,隨著巖土力學理論、筑壩技術和大型土石方施工機械的進步,促成了一批高壩的建設。因為各種地形、地質條件的適應性和較佳的經濟性,土石壩已是世界壩工中應用最為廣泛、發(fā)展最快的一種壩型。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),幾乎所有流域的龍頭水庫大壩基本都具有深厚覆蓋層、較差地質條件、寬闊河谷,比較適合建設土石壩。

        2 土石壩壩型

        2.1 土石壩類別

        土石壩按壩高可分為低壩、中壩和高壩,按筑壩材料可分為土壩、土石混合壩、堆石壩,土石壩按其施工方法可分為碾壓式土石壩、沖填式土石壩、水中填土壩和定向爆破堆石壩等,目前應用最為廣泛的碾壓式土石壩按防滲設施可分為均質壩、土質防滲體分區(qū)壩和非土質材料防滲體壩。

        近年將混凝土技術引入土石壩技術,充分利用土、石、混凝土的材料特性,形成膠凝材料壩,也不斷在革新著土石壩型。

        2.2 當前土石壩主要壩型

        當前碾壓土石壩的基本剖面由上下游塊石區(qū)、過渡料區(qū)、反濾料區(qū)、防滲體構成。根據防滲體結構形式的不同,可以分為斜心墻土石壩、直心墻土石壩、面板堆石壩。從應力、應變、安全、經濟的角度而言,各種類型的土石壩均有不同的特點,直心墻堆石壩在壩坡穩(wěn)定性、壩體應力、地形地質條件、基礎處理、抗震性能、施工方便性、工程造價等方面的優(yōu)越性,使其逐步成為高壩中的主流壩型。比較典型的工程比較多,直心墻土石壩如四川磽磧、瀑布溝、云南糯扎渡,斜心墻土石壩如河南小浪底,面板堆石壩如湖北水布埡、貴州三板溪等。

        3 幾個相關問題的探討

        3.1 防滲體系

        大壩壩體擋水時,由于上、下游水位差的作用,水將經壩體和壩基的顆??紫断蛳掠螡B透,滲透除可能導致水庫的水量大量流失,還可能引起壩體或壩基產生管涌、流土等滲透變形,導致潰壩事故。同時以壩體浸潤線為界,浸潤線上的土為非飽和狀態(tài),線下土體則呈飽和狀態(tài),土體飽和后,其抗剪強度指標也將相應降低,對壩坡穩(wěn)定不利。因此,應設置防滲和排水措施,以減少水庫的滲漏損失和保證壩坡的穩(wěn)定性。

        目前,成熟的土石壩防滲體系包括心墻、防滲墻、帷幕灌漿,很多時候,是三者或兩者共同作用,聯(lián)合防滲。防滲體系的正常運行,構筑了土石壩安全的生命線。故工程設計、施工過程中,須對防滲體系設施的嚴格控制。

        3.2反濾層

        設計和運行經驗表明,壩基防滲墻與大壩防滲體的連接處一般應力和應變較大,需要通過合理的結構形式和連接方式來解決。故對于覆蓋層上土石壩,尤其是高壩,需充分重視防滲墻頂部與河床廊道或心墻的連接、河床廊道與兩岸基巖廊道連接。為確保結構連接部位安全可靠,同時使大壩工程防滲體系具有一定的“自愈”能力,反濾層的設置必不可少。反濾層的基本形式分為垂直反濾和水平反濾,其主要功能為濾土排水。反濾料主要為人工拌制,通過調整顆粒級配滿足不同分區(qū)的功能需要。

        反濾層的安全運行,是土石壩工程的第二條生命線。

        3.3覆蓋層常規(guī)處理

        (1)勘探及實驗

        深厚覆蓋層上建壩,應十分重視地勘工作。對于覆蓋層深度、構成、詳細分層、壓實度、各分層巖土的級配、密度、物理力學特性及滲透特性,可能的液化砂層分布及埋深,有無連續(xù)分布且較厚的滲透系數(shù)相對較小的巖土層等,均應進行深入的研究。

        對壩基覆蓋層應進行必要的室內或室外物理力學試驗,提出壩基巖土體的滲透系數(shù)、允許滲透比降和承載力、變形模量、抗剪強度等各種物理力學參數(shù)。

        (2)壩基滲漏及滲流控制

        壩基滲漏及覆蓋層地基的滲透穩(wěn)定是砂礫石覆蓋層地基存在的主要問題,應采取適宜的防滲排滲措施。 常見的形式和特點:水平防滲如水平鋪蓋等,便宜易實現(xiàn),但效果有限;垂直防滲如截水槽、防滲墻、帷幕灌漿等,是解決問題的有效、可靠手段,應用普遍。根據“上堵下排”的滲控設計原則,在大壩防滲體下游設置水平排水褥墊和反濾蓋層是有效補充措施。

        (3)壩基抗滑穩(wěn)定問題

        由于壩基深厚覆蓋層的結構復雜,抗剪強度不一,有的還存在粘土、粉土、細砂層等低強度土層,影響大壩的抗滑穩(wěn)定。常見工程措施是挖除表層軟弱土層、放緩壩坡、增加壩坡壓重,對深部軟弱土層,可采取固結灌漿、振沖置換加固等措施。

        (4)壩基沉降、不均勻沉陷

        壩基深厚的砂礫石或軟土覆蓋層,會加大壩體的沉降變形及不均勻變形,從而可能加大土石壩心墻的拱效應、產生壩體裂縫、惡化大壩防滲結構與地基防滲結構之間的連接條件。通常根據工程情況對壩基淺層一定范圍內的覆蓋層進行加固處理,以增強地基強度及穩(wěn)定性,減少壩體不均勻變形。

        (5)壩基砂層液化

        在高地震烈度區(qū),壩基深厚覆蓋層存在可能液化層,對壩基穩(wěn)定劑壩體變形不利。對判斷為可能液化的壩基砂層,應采取挖除或換土措施;挖除比較困難或不經濟時,可采取人工措施。對淺層醫(yī)用表面振動壓密法,對深層宜用振沖、強夯等方法加密,還可結合振沖處理設置砂石樁、加強壩基排水以及采用蓋重等防護措施。

        3.4 料源問題

        大量的工程試驗表明,目前對土石壩工程建設構成制約的不是技術問題,更多的時候是料源問題,包括料源的質量問題和數(shù)量問題。問題集中反映在防滲體料、反濾料、粘土等料種方面,不是所有的物料均能滿足設計指標,對于這些料種,往往需要人工摻和或配置,需求量大與物料供應效率、氣候限制等條件之間的矛盾,往往導致這些料種料源存在問題;堆石料、過渡料等,可根據壩體功能進行分區(qū),往往可以做到料盡其用,但質量問題依然值得注意,尤其是上游水位變動區(qū)。根據筆者的經驗,對于堆石料或過渡料,可將壓實度和孔隙率作為主要控制指標,此種情況可以大大拓展用料空間。

        4 結語

        土石壩是一種歷史悠久的壩型,在壩工技術日趨成熟的今天,很多制約性技術問題已有很好的處理和解決,隨著科技日新月異的發(fā)展,土石壩技術重新煥發(fā)出活力,壩高的量級不斷突破。但因為土石壩結構和技術的復雜性,如所涉及的本構關系,高壩防滲、變形和穩(wěn)定,地震響應以及壩基防滲結構連接等問題,還需要不斷研究、解決。

        參考文獻:

        [1] 麥家煊,水工建筑物[M],清華大學,2005年。

        [2] 王柏樂等,中國當代土石壩工程[M],中國水利水電出版社, 2004。

        [3] 成都設計院、長江科學研究院,磽磧大壩反濾料滲透試驗成果,2006。

        [4] 趙增凱等,中國高土石壩的發(fā)展,水利水電規(guī)劃設計總院,2007.

        [5] 黨林才、方光達,利用覆蓋層建壩的實踐與發(fā)展,中國水電工程顧問集團,2009年。

        地址:北京市西城區(qū)太平橋大街98號(中海凱旋)3-2-9A,

        楊靖 收

        手機:13980172761

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