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淺談碾壓式土石壩結構及施工的幾個問題

淺談碾壓式土石壩結構及施工的幾個問題

王文忠

(深圳市廣水建設工程有限公司,項目總工程師、教授級高級工程師)

【摘  要】簡述碾壓式土石壩的類型,并以深圳清林徑引水調蓄工程1號、2號壩為例,闡述土質防滲分區、壩各部分的功能,及在大壩填筑施工中幾個值得探討的問題。

【關鍵詞】碾壓式土石壩;結構及功能;碾壓試驗;土料不均勻性;挖填平衡

  土石壩是指由土、石料等當地材料填筑而成的壩,是歷史最為悠久的一種壩型,是世界壩工建設中應用最為廣泛和發展最快的一種壩型。據不完全統計,我國興建的各種類型的壩共8.48萬座,其中95%以上為土石壩。21世紀我國水利水電事業進入大發展時期,一大批水利水電工程將在長江、黃河、珠江等河流的中上游及其支流上開工建設。因此,我國十分重視推廣和發展土石壩的建設。

1、土石壩的類型

   土石壩按壩高可分為:低壩、中壩和高壩。高度在30m以下的為低壩;高度在30-70m之間為中壩,高度超過70m的為高壩。

   土石壩按施工方法可分為:碾壓式土石壩、沖填式土石壩、水中填土壩和定向爆破土石壩,應用最廣泛的是碾壓式土石壩。

按土料在壩身內的配置和防滲體所用的材料的種類,碾壓式土石壩可分為:

1)均質壩:壩體主要為一種土料組成,同時起防滲和穩定作用。

2)土質防滲體分區壩:由相對不透水或弱透水土料構成壩的防滲體,而以透水性較強的土石料組成壩殼或下游的支撐體。又可分為心墻壩、斜墻壩、斜心墻壩。

3)非土質材料防滲體壩:以混凝土、瀝青砼或土工膜作為防滲體,壩的其余部分用土石料填筑。

2、土石壩的結構及各部分功能


                   現以深圳清林徑引水調蓄工程的1號、2號壩為例,簡單講述大壩的結構及各部分的功能。

               清林徑水庫大壩采用的是我國最常用的一種土石壩形式。

2.1大壩地下防滲結構(壩基處理)

1)帷幕灌漿

根據規范對巖石壩基帷幕的底部深入相對不透水層應不小于5m。帷幕應以基巖的透水率控制,1級、2級壩及高壩灌后基巖的透水率宜為23Lu;3級及其以下的壩透水率宜為510Lu。清林徑水庫壩基為巖石其透水率設計值為3Lu。

2)在灌漿帷幕之上,清林徑水庫土壩壩基還設計了砼防滲墻。防滲墻根據規范:砼防滲墻頂應做成光滑的楔形,插入土質防滲體高度宜為1/10壩高。砼防滲墻除應具有的強度外,還應有足夠的抗滲性。清林徑1、2號壩防滲墻厚1500px,采用C20砼,抗滲標號為W8,墻頂設含水率大于最優含水率的高塑性土區。

大壩壩基設立灌漿帷幕和砼防滲墻,最大限度地截住了大壩壩基的滲流量??刂屏藵B透的穩定,保證了大壩的安全運行。

2.2大壩的(地上)結構

1)粘土防滲心墻

粘土防滲心墻是大壩的防滲體,能將滲透坡降、下游壩體浸潤線及滲流量降低到容許范圍內。根據規范要求,  用于填筑防滲體的礫石土粒徑大于5mm的顆粒含量不宜超過50%,

最大粒徑不宜大于150mm或鋪層厚度的2/3。粒徑0.075mm以下的顆粒含量不大于15%,且粒徑<0.005mm的顆粒含量不宜小于8%。要求壓實后,滲透系數<1x10-5cm/s。對1級、2級或高壩,壓實度≥98%。

2)砂反濾層及砂礫過濾層

反濾料排水及過渡料層是大壩排水和防止大壩滲透變形的安全設施。規范規定:土質防滲體與壩殼和壩基透水層之間以及下游滲流逸出處,如不滿足反濾要求,均必須設置反濾層。

清林徑水庫大壩設置了壩體內排水,包括豎向排水和水平排水。經過砂反濾層和砂礫石過渡層將水排至堆石棱體,由排水溝引入下游。砂反濾層和砂礫過渡層技術要求:①級配要求,砂反濾層粒徑為0.075-20mm,砂礫石過渡層粒徑為1-80mm;② 0.1mm粒徑含量應小于5%;③滲透系數大于5.8×10-3cm/s;④粒徑堅固無片狀;⑤壓實后的相對密度反濾層≥0.70,過濾層≥0.75。

3)強風化壩殼體

   清林徑大壩壩殼是根據大壩附近料場實際情況,選用當地大量儲存的強風化料為壩殼料,組成上下游大壩的支撐體。維持大壩的穩定,保證大壩安全運行。

對強風化料的技術要求:一般采用能夠壓碎的強風化料,不能壓碎的宜填筑在壩殼的干燥區,壓實度≥98%。

4)堆石排水棱體

清林徑大壩排水設計主要采用的是堆石排水棱體。大壩在運行過程中,總會有少量的水排向下游,這對土石壩是允許的,關鍵是要控制大壩的防滲體不要發生滲透變形,如發生管涌和流土的情況。滲水通過反濾層從排水棱體中排出,也是大壩穩定和安全的保證。

堆石料的技術要求:①石料質地致密;②抗壓強度大于60Mpa,強化系數大于0.8;③粒徑在15-800mm之間;④粒徑小于5mm的石料含量不大于5%;⑤壓實后的孔隙率為20%-28%。

3、施工中的幾個問題的探討

3.1有關碾壓試驗選擇的季節問題

根據施工規范,碾壓試驗是填筑準備工作的關鍵。通過清林徑大壩碾壓試驗工作,總結出這樣的經驗:碾壓試驗一定安排在旱季進行。因為碾壓試驗的一個關鍵指標是土體的含水率應控制在最優含水率-2%~3%之間,碾壓試驗一般都是采用天然含水率做試驗。在雨季,


土料的天然含水率一般都超過最優含水率5個百分點,所以碾壓試驗往往不能通過。在雨季,

將含水率控制在最佳含水率范圍內費工費時,很難實際操作,所以建議大壩填筑碾壓試驗應該安排在旱季進行。

3.2  有關土料不均勻性問題

      深圳地區如清林徑水庫周圍土料分布及土料風化程度極不均勻。清林徑一號料場13區域一個取樣地段(10m×20m)取5個土樣進行物理力學試驗,其結果相差甚遠。詳見清林徑二標1號料場13區同一地段土的物理力學性質試驗成果表。

試驗報告

取樣點

名稱

塑性指數

Ip

2.0

5.0

mm

(%)

5.0

2.0mm

(%)

2.0

0.5mm

(%)

0.5

0.25mm

(%)

0.25

0.075mm

(%)

0.075

0.05

mm

(%)

0.05

0.005

mm

(%)

小于

0.005

mm

(%)

K

(cm/s)

最優含水率(%)

最大干密度(g/cm3)

1

1302

25.9

5.1

5.5

5.6

4.8

5.8

2.3

39.0

31.8

5.65x10-7

26.6

1.53

2

下夾層

13.3

0.7

0.2

0.10

0.8

2.9

4.2

36.3

54.8

1.92x10-7

20.9

1.62

3

1301

15.5

16.9

8.6

5.4

2.5

3.1

3.0

21.3

39.2

1.56x10-7

22.9

1.64

4

下夾層

17.4

0.2

0.1

0.5

2.8

8.8

13.7

29.3

53.6




5

下夾層











18.1

1.72

注:5個取樣點在10m*20m范圍內;序于4、5凡空白處為該點土樣為進行該項目試驗。

從上表明顯看出在一個10m×20m范圍的地段內,5個土樣試驗結果相差甚遠,充分證明土料的不均勻性。由于土料的不均勻性,給施工造成較大的困難,所以我們應向業主提出這些困難,增加一些因土料不均勻性而產生的費用。

3.3  土料的不均勻性怎樣使用碾壓試驗成果的問題

清林徑大壩填筑,首先遇到的問題就是填筑心墻壩的土料問題。按施工規范要求,土料

的填筑應嚴格按碾壓試驗的碾壓參數執行。如果按規范,我們將無法操作,因為土料極

不均勻,在實際施工中我們不可能對不均勻的土料都做試驗。所以只能按土料擊實試驗干密度分1.6g/cm3、1.7g/cm3、1.8g/cm3等幾個檔次,在實際填筑碾壓中分別取土的干密度對照碾壓試驗的成果參考執行。

3.4  合理利用土方挖填平衡問題

   大壩填筑過程中,如果開挖的土料符合大壩的填筑要求,盡可能地用于大壩填筑。所以,應周密地對開挖地段的土料進行分析和規劃。