[水库土石坝设计关键技术研究]宜昌官庄水库
摘 要:本文基于笔者多年从事水利工程设计的相关工作经验,以水库土石坝设计为研究对象,论文首先分析了土石坝的概况,分析了我国土石坝的险情,探讨了水库土石坝设计的相关关键技术,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行有所裨益。
关键词:水库 土石坝 设计 险情
中图分类号:TV5 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)07(a)-0049-02
1 土石坝概况
1.1 我国土石坝的建设概况
土石坝是由土料、石料或者混合材料,经过抛填、碾压等方法堆筑而成的挡水坝,是我国现存的坝型中最古老的一种,其建设历史超过了2500年。到现在,土石坝以其发展快、应用广等特点成为了世界坝工建设中一种重要的坝型。土石坝大多就地取材,因此成本低、适应性强,在此基础上又有较好的抗震性,寿命较长,所以在我国广泛应用。我国水库应用广泛,土石坝就地取材、造价低廉,又有较好的抗震性,使用寿命较长,不拘泥于地质条件。在我国土石坝水库的比例大于95%。
由此可见,水库土石坝的设计十分重要。因为在现有土石坝中,由于设计不当而错设抗洪数据、不能抵抗洪汛的土石坝约占1/3;而因为设计不周、勘测滞后、施工超前的原因,超过1/3的水库土石坝已经出现病险,甚至导致溃坝。
1.2 我国土石坝险情分析
1.2.1 土石坝渗漏
土石坝渗漏是我国土石坝溃坝现象最重要原因之一。土石坝的渗漏种类有四个:坝身渗漏、坝基渗漏、接触渗漏、绕坝渗漏。分析这些现象的原因,主要有以下几点。
(1)材质不过关。土石坝大多就地取材,有些由于交通不便利,取材就更不规范。筑坝的材料有很多不过关,比如杂质多、水溶性强等;而这些材质在施工时也不能保证充分使用,比如碾压不够紧等。(2)坝身设计不过关。这是一大原因,坝身设计不过关,比如坝身不够厚导致渗径短,比如排水槽对冲坝基等,这些都可能导致渗漏加剧。(3)排水体不过关。一般土石坝都会设立排水槽、排水棱体等,但因为设计问题,很可能导致排水体堵塞而失效,甚至没有排水体。(4)坝基不过关。坝基不过关,很可能导致原封堵漏洞而漏水,或地基沉陷不均匀,坝基挤压变形,从而渗漏。(5)放水设施不过关。比如截水槽的尺寸、设计不符合要求,碾压不实,或内部没有压涵管,导致不能和岸坡结合。
1.2.2 坝体裂缝
土石坝产生裂缝的主要原因有以下几点。
(1)清淤工作不彻底;(2)坝基防渗措施未奏效;(3)泄洪操作不当;(4)结合部质量差。
1.2.3 坝体滑坡
土石坝的滑坡原因主要有以下几点。
(1)勘验设计不到位;(2)建设不到位;(3)碾压不到位。
2 土石坝设计关键技术
土石坝的设计重点在于预防险情、除险加固。如图1所示。
2.1 复核洪汛数据
我国水库土石坝建设不规范,常出现洪汛预测不准的情况,因此要在设计与计算的过程中,注重复核洪汛数据。
(1)要重视实际监测。
对于修建土石坝水库地区的水文资料应当充分利用,不仅要利用已有的历史水文资料,还要重视实际监测,其内容包括洪水汛期、年降水量、暴雨量等洪汛数据。
(2)要注重数据合理。
在得到资料后,在设计计算过程中,要根据获得的基本资料和相关计算方法得出相关参数。这些相关参数都应进行进一步的分析与检查,保证其合理。对于补充的洪汛资料,需要分析和论证,保证其有重现期,和本地实际得出的洪汛信息的调查相比较,检查合理性。
(3)要进行数据复核。
要保证资料的复核与数据的复核。尤其是洪汛资料和流域特征等对最终数据影响比较大的内容,要格外注意,保证不发生系统性的错误,也要保证错误的及时改正。
(4)要挑选相适应的标准。
在保证洪汛数据合理、准确后,就要比照数据与建筑物级别,挑选相适应的抗洪标准。这个过程要严格按照国家指标进行,对其质量、用材等进行进一步确认,要校准洪水、洪峰流量与洪量,作为设计水库特征的依据。
(5)要适当考虑当地环境。
除了参考数据以外,还要适当考虑当地环境。水库地理特征明显、水域十分重要的地区,或者一旦土石坝溃坝将会对下游地区造成巨大影响的,为了确保该地区的安全,应该考虑按照可能最大洪水(PMF)的级别作为洪水标准,如果预定设计在2～4级建筑物的标准,可适当提高1～2级。
2.2 提高抗震性
地震灾害是造成土石坝溃坝的一大原因,且造成的结果通常十分严重。因此抗震性也是土石坝设计的重要内容。
(1)应当复核地质条件。
要实际监测当地的地质环境,取得地质资料。其内容包括地震带、断层交汇带、密集缝隙区等地质环境,并且要考虑河床自身的条件,如河床土质、是否缓倾、土层质量、是否架空、地基是否沉降等内容,另外由于土石坝大多就地取材,要考虑到当地土石质量,如是否有水溶性岩石等。
(2)要重视分析。
在得到上述材料后,应当对土石坝的抗震性进行静动力分析,主要方法如拟静力法,考虑到条块水平地震惯性、设计烈度、动态分布系数等;也可以利用动力法,考虑震前坝体初始状态,通过非线性应力的应变关系来得出结论。此外要考虑到土石坝地震的永久变形和残余变形。
(3)要核准数据。
在根据上述材料得出相关数据后,要严格按照国家标准进行设计,确定建筑物防震等级。要对数据、材料进行复核,保证数据的合理性。
(4)要考虑到用材。
要改善土体抗液化的性能,就要避开易液化的土体,采用抗液化破坏的结构。
(5)最后要注重结构。
为了抗震,要从坝高、地基、水库防控设施、坝轴线以及防渗体选材等方面考虑抗震。
2.3 确保坝体防漏与排水
坝体渗漏包括坝基渗漏、坝肩渗漏以及接触带渗漏。