水庫土石壩設計關鍵技術研究

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計的相關工作經驗,以水庫土石壩設計為研究對象,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計的相關關鍵技術,全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華,相信對從事相關工作的同行有所裨益。

關鍵詞:水庫土石壩設計險情

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

1土石壩概況

1.1 我國土石壩的建設概況

土石壩是由土料、石料或者混合材料,經過拋填、碾壓等方法堆筑而成的擋水壩,是我國現存的壩型中最古老的一種,其建設歷史超過了2500年。到現在,土石壩以其發展快、應用廣等特點成為了世界壩工建設中一種重要的壩型。土石壩大多就地取材,因此成本低、適應性強,在此基礎上又有較好的抗震性,壽命較長,所以在我國廣泛應用。我國水庫應用廣泛,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,水庫土石壩的設計十分重要。因為在現有土石壩中,由于設計不當而錯設抗洪數據、不能抵抗洪汛的土石壩約占1/3;而因為設計不周、勘測滯后、施工超前的原因,超過1/3的水庫土石壩已經出現病險,甚至導致潰壩。

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。分析這些現象的原因,主要有以下幾點。

(1)材質不過關。土石壩大多就地取材,有些由于交通不便利,取材就更不規范。筑壩的材料有很多不過關,比如雜質多、水溶性強等;而這些材質在施工時也不能保證充分使用,比如碾壓不夠緊等。(2)壩身設計不過關。這是一大原因,壩身設計不過關,比如壩身不夠厚導致滲徑短,比如排水槽對沖壩基等,這些都可能導致滲漏加劇。(3)排水體不過關。一般土石壩都會設立排水槽、排水棱體等,但因為設計問題,很可能導致排水體堵塞而失效,甚至沒有排水體。(4)壩基不過關。壩基不過關,很可能導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)放水設施不過關。比如截水槽的尺寸、設計不符合要求,碾壓不實,或內部沒有壓涵管,導致不能和岸坡結合。

1.2.2 壩體裂縫

土石壩產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;(4)結合部質量差。

1.2.3 壩體滑坡

土石壩的滑坡原因主要有以下幾點。

(1)勘驗設計不到位;(2)建設不到位;(3)碾壓不到位。

2土石壩設計關鍵技術

土石壩的設計重點在于預防險情、除險加固。如圖1所示。

2.1 復核洪汛數據

我國水庫土石壩建設不規范,常出現洪汛預測不準的情況,因此要在設計與計算的過程中,注重復核洪汛數據。

(1)要重視實際監測。

對于修建土石壩水庫地區的水文資料應當充分利用,不僅要利用已有的歷史水文資料,還要重視實際監測,其內容包括洪水汛期、年降水量、暴雨量等洪汛數據。

(2)要注重數據合理。

在得到資料后,在設計計算過程中,要根據獲得的基本資料和相關計算方法得出相關參數。這些相關參數都應進行進一步的分析與檢查,保證其合理。對于補充的洪汛資料,需要分析和論證,保證其有重現期,和本地實際得出的洪汛信息的調查相比較,檢查合理性。

(3)要進行數據復核。

要保證資料的復核與數據的復核。尤其是洪汛資料和流域特征等對最終數據影響比較大的內容,要格外注意,保證不發生系統性的錯誤,也要保證錯誤的及時改正。

(4)要挑選相適應的標準。

在保證洪汛數據合理、準確后,就要比照數據與建筑物級別,挑選相適應的抗洪標準。這個過程要嚴格按照國家指標進行,對其質量、用材等進行進一步確認,要校準洪水、洪峰流量與洪量,作為設計水庫特征的依據。

(5)要適當考慮當地環境。

除了參考數據以外,還要適當考慮當地環境。水庫地理特征明顯、水域十分重要的地區,或者一旦土石壩潰壩將會對下游地區造成巨大影響的,為了確保該地區的安全,應該考慮按照可能最大洪水(PMF)的級別作為洪水標準,如果預定設計在2～4級建筑物的標準,可適當提高1～2級。

2.2 提高抗震性

地震災害是造成土石壩潰壩的一大原因,且造成的結果通常十分嚴重。因此抗震性也是土石壩設計的重要內容。

(1)應當復核地質條件。

要實際監測當地的地質環境,取得地質資料。其內容包括地震帶、斷層交匯帶、密集縫隙區等地質環境,并且要考慮河床自身的條件,如河床土質、是否緩傾、土層質量、是否架空、地基是否沉降等內容,另外由于土石壩大多就地取材,要考慮到當地土石質量,如是否有水溶性巖石等。

(2)要重視分析。

在得到上述材料后,應當對土石壩的抗震性進行靜動力分析,主要方法如擬靜力法,考慮到條塊水平地震慣性、設計烈度、動態分布系數等;也可以利用動力法,考慮震前壩體初始狀態,通過非線性應力的應變關系來得出結論。此外要考慮到土石壩地震的永久變形和殘余變形。

(3)要核準數據。

在根據上述材料得出相關數據后,要嚴格按照國家標準進行設計,確定建筑物防震等級。要對數據、材料進行復核,保證數據的合理性。

(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構。

(5)最后要注重結構。

為了抗震,要從壩高、地基、水庫防控設施、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)要注重當地土石質量。

選擇材質要避開易液化的土質,同時要考慮到當地地質條件。

(2)要保證防滲墻的設計。

如果壩體設計的孔隙比較大,用其他防滲方式已經不足夠防滲要求時,可以考慮沿著壩軸線設立防滲墻。但防滲墻要經過仔細設計,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)要保證多重結合,上堵下排。

在設計過程中,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行水平防滲,并結合開挖導滲溝的方式。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合。

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

(5)設計合理。

可以對壩面排水設計進行進一步的加強,最好更夠將放水涵道移開,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。而對上游壩面應該設計加入預制塊進行護坡,下游最好能采用曹丕護坡,并增設堆石排水棱體。

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。因此在設計的過程中就要十分注重壩坡的加固。

(1)要充分考慮建設地的地理環境。

首先要對河床的土質、是否有架空層等地質條件進行考察,其次要考慮地基是否沉陷、當地土石的水溶性等材料問題,然后結合當地水文條件,考慮好壩坡的建設標準。

(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、壩基穩固性、抗震性、耗材、溫度,并結合當地的實際情況,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,要保證它的優勢能被切實達成。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,要保證當地的自然環境不會阻礙施工等。

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境相對穩定,保證土石壩的使用壽命。

(2)要保證樞紐的全面性。

要根據當地的自然、經濟、社會情況,考慮到樞紐運行的各種可能,并以此來設定樞紐的設施內容,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、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。

參考文獻

[1] 李雙英.西溪水庫主壩防滲設計[J].湖南水利水電,2010(3).

[2] 劉春華.套井回填結合帷幕灌漿在小嶺水庫防滲加固中的應用[J].廣東水利水電,2009(4).

[3] 李新強,杜碧娥,劉長順.鋸槽機施工的混凝土防滲墻在觀音河水庫大壩防滲加固中的應用[J].水利建設與管理,2003(6).

[4] 劉亮.中小型水庫主壩帷幕灌漿設計與施工技術探討[J].廣東建材,2009(5).

[5] 賀春雷.惠亭水庫主壩滲漏問題處理設計[J].水利建設與管理,2007(8).

[6] 萬娜.水庫土壩塑性混凝土防滲墻設計探討[J].科技與企業,2011(6).