水庫土石壩設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

李良信 楊朋朋 王婷婷

摘 要:本文基于筆者多年從事水利工程設(shè)計的相關(guān)工作經(jīng)驗,以水庫土石壩設(shè)計為研究對象,論文首先分析了土石壩的概況,分析了我國土石壩的險情,探討了水庫土石壩設(shè)計的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),全文是筆者長期工作實踐基礎(chǔ)上的理論升華,相信對從事相關(guān)工作的同行有所裨益。

關(guān)鍵詞:水庫土石壩設(shè)計險情

中圖分類號:TV5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0049-02

1土石壩概況

1.1 我國土石壩的建設(shè)概況

土石壩是由土料、石料或者混合材料,經(jīng)過拋填、碾壓等方法堆筑而成的擋水壩,是我國現(xiàn)存的壩型中最古老的一種,其建設(shè)歷史超過了2500年。到現(xiàn)在,土石壩以其發(fā)展快、應(yīng)用廣等特點成為了世界壩工建設(shè)中一種重要的壩型。土石壩大多就地取材,因此成本低、適應(yīng)性強,在此基礎(chǔ)上又有較好的抗震性,壽命較長,所以在我國廣泛應(yīng)用。我國水庫應(yīng)用廣泛,土石壩就地取材、造價低廉,又有較好的抗震性,使用壽命較長,不拘泥于地質(zhì)條件。在我國土石壩水庫的比例大于95%。

由此可見,水庫土石壩的設(shè)計十分重要。因為在現(xiàn)有土石壩中,由于設(shè)計不當(dāng)而錯設(shè)抗洪數(shù)據(jù)、不能抵抗洪汛的土石壩約占1/3;而因為設(shè)計不周、勘測滯后、施工超前的原因,超過1/3的水庫土石壩已經(jīng)出現(xiàn)病險,甚至導(dǎo)致潰壩。

1.2 我國土石壩險情分析

1.2.1 土石壩滲漏

土石壩滲漏是我國土石壩潰壩現(xiàn)象最重要原因之一。土石壩的滲漏種類有四個:壩身滲漏、壩基滲漏、接觸滲漏、繞壩滲漏。分析這些現(xiàn)象的原因,主要有以下幾點。

(1)材質(zhì)不過關(guān)。土石壩大多就地取材,有些由于交通不便利,取材就更不規(guī)范。筑壩的材料有很多不過關(guān),比如雜質(zhì)多、水溶性強等;而這些材質(zhì)在施工時也不能保證充分使用,比如碾壓不夠緊等。(2)壩身設(shè)計不過關(guān)。這是一大原因,壩身設(shè)計不過關(guān),比如壩身不夠厚導(dǎo)致滲徑短,比如排水槽對沖壩基等,這些都可能導(dǎo)致滲漏加劇。(3)排水體不過關(guān)。一般土石壩都會設(shè)立排水槽、排水棱體等,但因為設(shè)計問題,很可能導(dǎo)致排水體堵塞而失效,甚至沒有排水體。(4)壩基不過關(guān)。壩基不過關(guān),很可能導(dǎo)致原封堵漏洞而漏水,或地基沉陷不均勻,壩基擠壓變形,從而滲漏。(5)放水設(shè)施不過關(guān)。比如截水槽的尺寸、設(shè)計不符合要求,碾壓不實,或內(nèi)部沒有壓涵管,導(dǎo)致不能和岸坡結(jié)合。

1.2.2 壩體裂縫

土石壩產(chǎn)生裂縫的主要原因有以下幾點。

(1)清淤工作不徹底;(2)壩基防滲措施未奏效;(3)泄洪操作不當(dāng);(4)結(jié)合部質(zhì)量差。

1.2.3 壩體滑坡

土石壩的滑坡原因主要有以下幾點。

(1)勘驗設(shè)計不到位;(2)建設(shè)不到位;(3)碾壓不到位。

2土石壩設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

土石壩的設(shè)計重點在于預(yù)防險情、除險加固。如圖1所示。

2.1 復(fù)核洪汛數(shù)據(jù)

我國水庫土石壩建設(shè)不規(guī)范,常出現(xiàn)洪汛預(yù)測不準(zhǔn)的情況,因此要在設(shè)計與計算的過程中,注重復(fù)核洪汛數(shù)據(jù)。

(1)要重視實際監(jiān)測。

對于修建土石壩水庫地區(qū)的水文資料應(yīng)當(dāng)充分利用,不僅要利用已有的歷史水文資料,還要重視實際監(jiān)測,其內(nèi)容包括洪水汛期、年降水量、暴雨量等洪汛數(shù)據(jù)。

(2)要注重數(shù)據(jù)合理。

在得到資料后,在設(shè)計計算過程中,要根據(jù)獲得的基本資料和相關(guān)計算方法得出相關(guān)參數(shù)。這些相關(guān)參數(shù)都應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的分析與檢查,保證其合理。對于補充的洪汛資料,需要分析和論證,保證其有重現(xiàn)期,和本地實際得出的洪汛信息的調(diào)查相比較,檢查合理性。

(3)要進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)核。

要保證資料的復(fù)核與數(shù)據(jù)的復(fù)核。尤其是洪汛資料和流域特征等對最終數(shù)據(jù)影響比較大的內(nèi)容,要格外注意,保證不發(fā)生系統(tǒng)性的錯誤,也要保證錯誤的及時改正。

(4)要挑選相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

在保證洪汛數(shù)據(jù)合理、準(zhǔn)確后,就要比照數(shù)據(jù)與建筑物級別,挑選相適應(yīng)的抗洪標(biāo)準(zhǔn)。這個過程要嚴(yán)格按照國家指標(biāo)進(jìn)行,對其質(zhì)量、用材等進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn),要校準(zhǔn)洪水、洪峰流量與洪量,作為設(shè)計水庫特征的依據(jù)。

(5)要適當(dāng)考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境。

除了參考數(shù)據(jù)以外,還要適當(dāng)考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境。水庫地理特征明顯、水域十分重要的地區(qū),或者一旦土石壩潰壩將會對下游地區(qū)造成巨大影響的,為了確保該地區(qū)的安全,應(yīng)該考慮按照可能最大洪水(PMF)的級別作為洪水標(biāo)準(zhǔn),如果預(yù)定設(shè)計在2～4級建筑物的標(biāo)準(zhǔn),可適當(dāng)提高1～2級。

2.2 提高抗震性

地震災(zāi)害是造成土石壩潰壩的一大原因,且造成的結(jié)果通常十分嚴(yán)重。因此抗震性也是土石壩設(shè)計的重要內(nèi)容。

(1)應(yīng)當(dāng)復(fù)核地質(zhì)條件。

要實際監(jiān)測當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境,取得地質(zhì)資料。其內(nèi)容包括地震帶、斷層交匯帶、密集縫隙區(qū)等地質(zhì)環(huán)境,并且要考慮河床自身的條件,如河床土質(zhì)、是否緩傾、土層質(zhì)量、是否架空、地基是否沉降等內(nèi)容,另外由于土石壩大多就地取材,要考慮到當(dāng)?shù)赝潦|(zhì)量,如是否有水溶性巖石等。

(2)要重視分析。

在得到上述材料后,應(yīng)當(dāng)對土石壩的抗震性進(jìn)行靜動力分析,主要方法如擬靜力法,考慮到條塊水平地震慣性、設(shè)計烈度、動態(tài)分布系數(shù)等;也可以利用動力法,考慮震前壩體初始狀態(tài),通過非線性應(yīng)力的應(yīng)變關(guān)系來得出結(jié)論。此外要考慮到土石壩地震的永久變形和殘余變形。

(3)要核準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

在根據(jù)上述材料得出相關(guān)數(shù)據(jù)后,要嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計,確定建筑物防震等級。要對數(shù)據(jù)、材料進(jìn)行復(fù)核,保證數(shù)據(jù)的合理性。

(4)要考慮到用材。

要改善土體抗液化的性能,就要避開易液化的土體,采用抗液化破壞的結(jié)構(gòu)。

(5)最后要注重結(jié)構(gòu)。

為了抗震,要從壩高、地基、水庫防控設(shè)施、壩軸線以及防滲體選材等方面考慮抗震。

2.3 確保壩體防漏與排水

壩體滲漏包括壩基滲漏、壩肩滲漏以及接觸帶滲漏。

(1)要注重當(dāng)?shù)赝潦|(zhì)量。

選擇材質(zhì)要避開易液化的土質(zhì),同時要考慮到當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件。

(2)要保證防滲墻的設(shè)計。

如果壩體設(shè)計的孔隙比較大,用其他防滲方式已經(jīng)不足夠防滲要求時,可以考慮沿著壩軸線設(shè)立防滲墻。但防滲墻要經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計,比如其底部必須深入二層基巖,最好能選用混凝土作為防滲墻的建材,而制造方法最好選擇灌漿。

(3)要保證多重結(jié)合,上堵下排。

在設(shè)計過程中,最好在上游、壩體和下游共同采取措施保證防滲漏,運用粘土鋪蓋的方式進(jìn)行水平防滲,并結(jié)合開挖導(dǎo)滲溝的方式。要多采取充填、灌漿的方式,填補壩體孔隙,起到防身效果。而上游最好鋪設(shè)防滲層,保證其防身效果,而在下游,要爭排水棱體有效。

(4)要做到排水滲漏相結(jié)合。

而在排水方面,要做到和防滲漏相結(jié)合,能做到有效排走壩體和基礎(chǔ)的少量滲水,保證降低濕潤線,而確保滲透的壓力。

(5)設(shè)計合理。

可以對壩面排水設(shè)計進(jìn)行進(jìn)一步的加強,最好更夠?qū)⒎潘酪崎_,保證其不會直接對沖壩腳。并且保證排水道暢通,能夠接入下游河道。而對上游壩面應(yīng)該設(shè)計加入預(yù)制塊進(jìn)行護(hù)坡,下游最好能采用曹丕護(hù)坡,并增設(shè)堆石排水棱體。

2.4 壩坡的加固與防滑

滑坡及滑坡性裂縫是土石壩潰壩的一大原因。因此在設(shè)計的過程中就要十分注重壩坡的加固。

(1)要充分考慮建設(shè)地的地理環(huán)境。

首先要對河床的土質(zhì)、是否有架空層等地質(zhì)條件進(jìn)行考察,其次要考慮地基是否沉陷、當(dāng)?shù)赝潦乃苄缘炔牧蠁栴},然后結(jié)合當(dāng)?shù)厮臈l件,考慮好壩坡的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)要選擇正確的壩型。

如混凝土拱壩壩型、混凝土重力壩壩型、土壩壩型等。選擇壩型有許多要件,如自重、選材、施工工藝、滲水性、壩基穩(wěn)固性、抗震性、耗材、溫度,并結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況,選擇使用什么壩型。

(3)最后要保證壩型的實際生成。

在選擇好壩型后,要保證它的優(yōu)勢能被切實達(dá)成。如選材,要考慮到土石壩就地取材的特點,要保證材料切實可得;比如施工條件,要保證當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境不會阻礙施工等。

2.5 確保樞紐布置合理

(1)要選擇正確的壩址。

選擇壩址要考慮到多個條件,要考慮到壩址所處地區(qū)施工方便、交通便利;并且要保證工程量較小、施工期可以較短;還要考慮降低成本;并且要考慮到選擇的壩址自然環(huán)境相對穩(wěn)定,保證土石壩的使用壽命。

(2)要保證樞紐的全面性。

要根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀弧⒔?jīng)濟、社會情況,考慮到樞紐運行的各種可能,并以此來設(shè)定樞紐的設(shè)施內(nèi)容,目的是為了保證在任何情況下,該樞紐都能正常的運作,而不會被中斷。

(3)要考慮降低相對費用。

這一條的前提是保證樞紐的建筑強度和穩(wěn)定,在保證這一項后,可以考慮其運作成本,合理安排樞紐的運作,降低其維護(hù)、總造價和年運作費用等。

(4)要考慮布局緊湊。

在盡量少的空間內(nèi)布置盡量多的樞紐,這樣可以保證減少連接性的建筑,保證安全,降低成本。

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