土石壩壩型及幾個(gè)相關(guān)問題的探討

【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(gè)相關(guān)問題，簡明清晰地探討了土石壩發(fā)展的脈絡(luò)、壩型種類及當(dāng)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(jié)合具體的工程經(jīng)驗(yàn)，引進(jìn)一些較為成熟的經(jīng)驗(yàn)或技術(shù)原則。

【關(guān)鍵詞】土石壩；壩型；防滲體系；覆蓋層處理；安全高效；經(jīng)濟(jì)合理

1 引言

土石壩指由土、石料或混合料等當(dāng)?shù)夭牧?，?jīng)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(jì)50年代近代以來，土石壩筑壩技術(shù)結(jié)合工業(yè)水平尤其是機(jī)械制造業(yè)、電子計(jì)算機(jī)計(jì)算的發(fā)展而發(fā)展；20世紀(jì)70年代后期，隨著巖土力學(xué)理論、筑壩技術(shù)和大型土石方施工機(jī)械的進(jìn)步，促成了一批高壩的建設(shè)。因?yàn)楦鞣N地形、地質(zhì)條件的適應(yīng)性和較佳的經(jīng)濟(jì)性，土石壩已是世界壩工中應(yīng)用最為廣泛、發(fā)展最快的一種壩型。統(tǒng)計(jì)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(zhì)條件、寬闊河谷，比較適合建設(shè)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(yīng)用最為廣泛的碾壓式土石壩按防滲設(shè)施可分為均質(zhì)壩、土質(zhì)防滲體分區(qū)壩和非土質(zhì)材料防滲體壩。

近年將混凝土技術(shù)引入土石壩技術(shù)，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(dāng)前土石壩主要壩型

當(dāng)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(gòu)成。根據(jù)防滲體結(jié)構(gòu)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(yīng)力、應(yīng)變、安全、經(jīng)濟(jì)的角度而言，各種類型的土石壩均有不同的特點(diǎn)，直心墻堆石壩在壩坡穩(wěn)定性、壩體應(yīng)力、地形地質(zhì)條件、基礎(chǔ)處理、抗震性能、施工方便性、工程造價(jià)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(gè)相關(guān)問題的探討

3.1 防滲體系

大壩壩體擋水時(shí)，由于上、下游水位差的作用，水將經(jīng)壩體和壩基的顆?？紫断蛳掠螡B透，滲透除可能導(dǎo)致水庫的水量大量流失，還可能引起壩體或壩基產(chǎn)生管涌、流土等滲透變形，導(dǎo)致潰壩事故。同時(shí)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(qiáng)度指標(biāo)也將相應(yīng)降低，對壩坡穩(wěn)定不利。因此，應(yīng)設(shè)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(shí)候，是三者或兩者共同作用，聯(lián)合防滲。防滲體系的正常運(yùn)行，構(gòu)筑了土石壩安全的生命線。故工程設(shè)計(jì)、施工過程中，須對防滲體系設(shè)施的嚴(yán)格控制。

3.2反濾層

設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，壩基防滲墻與大壩防滲體的連接處一般應(yīng)力和應(yīng)變較大，需要通過合理的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)連接部位安全可靠，同時(shí)使大壩工程防滲體系具有一定的“自愈”能力，反濾層的設(shè)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(diào)整顆粒級配滿足不同分區(qū)的功能需要。

反濾層的安全運(yùn)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(shí)驗(yàn)

深厚覆蓋層上建壩，應(yīng)十分重視地勘工作。對于覆蓋層深度、構(gòu)成、詳細(xì)分層、壓實(shí)度、各分層巖土的級配、密度、物理力學(xué)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(yīng)進(jìn)行深入的研究。

對壩基覆蓋層應(yīng)進(jìn)行必要的室內(nèi)或室外物理力學(xué)試驗(yàn)，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(qiáng)度等各種物理力學(xué)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(yīng)采取適宜的防滲排滲措施。 常見的形式和特點(diǎn)：水平防滲如水平鋪蓋等，便宜易實(shí)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(yīng)用普遍。根據(jù)“上堵下排”的滲控設(shè)計(jì)原則，在大壩防滲體下游設(shè)置水平排水褥墊和反濾蓋層是有效補(bǔ)充措施。

（3）壩基抗滑穩(wěn)定問題

由于壩基深厚覆蓋層的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗剪強(qiáng)度不一，有的還存在粘土、粉土、細(xì)砂層等低強(qiáng)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(jié)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(huì)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(yīng)、產(chǎn)生壩體裂縫、惡化大壩防滲結(jié)構(gòu)與地基防滲結(jié)構(gòu)之間的連接條件。通常根據(jù)工程情況對壩基淺層一定范圍內(nèi)的覆蓋層進(jìn)行加固處理，以增強(qiáng)地基強(qiáng)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(yīng)采取挖除或換土措施；挖除比較困難或不經(jīng)濟(jì)時(shí)，可采取人工措施。對淺層醫(yī)用表面振動(dòng)壓密法，對深層宜用振沖、強(qiáng)夯等方法加密，還可結(jié)合振沖處理設(shè)置砂石樁、加強(qiáng)壩基排水以及采用蓋重等防護(hù)措施。

3.4 料源問題

大量的工程試驗(yàn)表明，目前對土石壩工程建設(shè)構(gòu)成制約的不是技術(shù)問題，更多的時(shí)候是料源問題，包括料源的質(zhì)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(shè)計(jì)指標(biāo)，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(yīng)效率、氣候限制等條件之間的矛盾，往往導(dǎo)致這些料種料源存在問題；堆石料、過渡料等，可根據(jù)壩體功能進(jìn)行分區(qū)，往往可以做到料盡其用，但質(zhì)量問題依然值得注意，尤其是上游水位變動(dòng)區(qū)。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，對于堆石料或過渡料，可將壓實(shí)度和孔隙率作為主要控制指標(biāo)，此種情況可以大大拓展用料空間。

4 結(jié)語

土石壩是一種歷史悠久的壩型，在壩工技術(shù)日趨成熟的今天，很多制約性技術(shù)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(shù)重新煥發(fā)出活力，壩高的量級不斷突破。但因?yàn)橥潦瘔谓Y(jié)構(gòu)和技術(shù)的復(fù)雜性，如所涉及的本構(gòu)關(guān)系，高壩防滲、變形和穩(wěn)定，地震響應(yīng)以及壩基防滲結(jié)構(gòu)連接等問題，還需要不斷研究、解決。

參考文獻(xiàn)：

[1] 麥家煊，水工建筑物[M]，清華大學(xué)，2005年。

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

[3] 成都設(shè)計(jì)院、長江科學(xué)研究院，磽磧大壩反濾料滲透試驗(yàn)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(shè)計(jì)總院，2007.

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

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楊靖 收

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