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同学们好

通过前面的学习

我们认识了土石坝的优点和缺点

那么

我们在选择是否采用土石坝坝型时

需要考虑的因素有哪些呢

对于一座土石坝的设计

需要满足的基本要求有哪些呢

这是本章将要学习的主要内容

首先

坝型选择是土石坝设计中

需要首先解决的一个重要问题

因为它关系到整个枢纽的工程量

投资造价和工期

而地形、地质条件、筑坝材料

施工条件、运行条件和经济性等

方面都是影响坝型选择的重要因素

地形方面

土石坝枢纽布置时

由于坝身不能泄水

坝内不能设置厂房

因此需考虑泄洪建筑物、厂房

以及施工场地等方面的布置

总体来说

土石坝枢纽更适合开阔的地形

为其他建筑物的布置

提供更多的地形条件

这与混凝土坝特别是

适合修建在狭窄河谷地形的拱坝

是有明显差异的

地质方面

土石坝对地质条件的适应能力最强

因此当地质条件较差

难以满足重力坝和拱坝的要求时

土石坝几乎成为唯一的选择

筑坝材料方面

对于土质防渗体坝

需考虑有无合适的抗渗性较好的土料

以及强度较高的堆石料或砂砾石料等

并需对土石料的级配、含水率、强度

压缩性等进行试验和分析研究

另外

土石料场距离坝址不能太远

以免造成运费成本过高

土石料开挖涉及的耕地侵占

征地移民等问题也需要妥善解决

施工条件

由于土石坝坝坡较缓

坝体方量较大

其施工强度更高

需要的机械设备更多

需考虑施工能力能否满足建坝要求

另外

土石料方量大

需要较大的料场堆存

有无合适的堆存场地也是应考虑的问题

运行条件

需考虑土石坝初次蓄水的安全性

以及水位急剧变化时坝坡的稳定性

特别是上游水位骤降

对上游坝坡稳定性产生的不利影响

另外

由于水位波动产生的干湿循环

以及冰冻、日晒等

对土石坝坝体或局部构造的不利影响

也需要分析论证

在安全性基础上

最后需考虑经济性

综合考虑工程造价、建造工期

以及是否能提前蓄水发电产生的

经济和社会效益

实际工程中在坝型

和枢纽布置格局的选择时

需要综合分析以上所有问题

进行全盘考虑

当某一个或几个方面不能满足要求时

需考虑采取相应工程措施

当没有可用措施

或措施实施困难、代价较高时

需对改变坝型和枢纽布置格局的设计方案

进行深入的可行性和经济性分析

最终确定相对合理的设计方案

以下结合两个典型工程案例

对上述问题进行分析讨论

如图所示为

澜沧江糯扎渡水电站的枢纽布置情况

在坝型和枢纽布置格局的选择中

综合考虑了多方面的实际情况

在河床布置心墙堆石坝用以挡水

左岸存在天然垭口

岩体质量较好

充分利用有利的地形条件

布置大泄量开敞式溢洪道

在地下布置电站厂房

同时在左、右岸分别

布置泄洪隧洞用以辅助泄洪

并布置左、右岸导流隧洞实现施工导流

垭口上游侧

以及右岸下游侧存在天然冲沟

充分利用该有利地形

布置了混凝土拌合楼

砂石料场及开挖料堆存料场等

解决了施工布置所需的场地问题

在筑坝材料方面

坝址上游约8km处有质量

和储量均满足要求的粘性土料

以及花岗岩堆石料

运距较近

且开采条件较好

同时溢洪道和地下厂房的开挖料

也满足质量要求

可以上坝堆筑

考虑到261.5m高的大坝的安全性

对心墙粘土料进行了改性优化

在其中掺入35%质量比的砾石

提高心墙料的压缩模量

避免因心墙变形量过大

可能引起的坝体开裂等问题

运行条件方面

在水库初次蓄水时

严格控制了水位上涨速度

并根据坝坡稳定计算结果

控制水位骤降速度

保证了坝体的安全运行

由于在多个方面根据实际情况

综合选择设计方案

充分利用有利条件

改善和优化不利条件

使得该土石坝枢纽工程的

设计建设取得了巨大的成功

第2个案例为本人曾参与

设计研究的缅甸曼尼普尔水电站

地形条件如图所示

在上、下两个坝址均具备

有利的河湾地形及雄厚山梁的地质条件

可以较为方便地布置

开敞式溢洪道和水工隧洞

且下游附近地形平坦开阔

施工场地布置非常容易

总体来说

该工程具备建造土石坝枢纽工程的

多方面有利条件

可开发性较好

但是

该工程前期2004年

由国外工程公司开展设计时却取得了失败

导致工程进行了部分施工之后停工多年

其主要原因在于前期设计时坝型选择不合理

坝料的勘察设计不够细致深入

前期选择的心墙堆石坝方案

需要用到粘性土料

但当地土料场如图所示

粘性土料的可开采厚度仅1m左右

总计需开采约4平方公里

方能满足心墙用料的需求

如此大的开采面积使得

心墙堆石坝设计方案丧失了可行性

另外

坝址区附近也没有足够的

满足要求的堆石料可用

2015年

本人参与了该项工程的

新的设计方案的研究

经现场踏勘

发现河道内多处分布有

如图所示的大量的砂卵砾石

质量较好

储量较大

开采条件合适

初步提出了

砂砾石面板堆石坝设计方案

后期经详细深入的勘察

试验及计算分析结果表明

砂砾石面板堆石坝方案合理可行

使得该工程的后续复建得以顺利进行

上述详细介绍了

土石坝坝型选择时需要考虑的因素

那么

若选定了土石坝坝型

对土石坝设计的基本要求又有哪些呢

基于坝体材料和结构特征

土石坝的设计需要重点考虑

以下几方面的要求

1、因土石料抵抗冲刷的能力较弱

土石坝一旦发生洪水漫顶

将造成溃坝的严重事故

因此

对于土石坝枢纽

必须保证不发生洪水漫顶

泄洪建筑物需有足够的泄洪能力

坝顶有足够的安全超高

2、需具有可靠的防渗

及排水措施以控制渗流

渗流及渗透稳定是土石坝的关键问题

土石坝挡水后

在坝体内形成渗流

若渗流控制措施不当

可引起坝体及坝基内的管涌

流土等渗透破坏

另外

渗透力也可对坝坡稳定产生不利

因此

在坝体内需设置防渗和排水措施

以控制渗流范围、改变渗流方向

减小渗流水力梯度

增强坝体、坝基的渗透和稳定安全

同时也有利于减少坝体和坝基的漏水量

3、需具有足够的断面以保证坝坡的稳定

国内外土石坝的失事中

约有1/4由滑坡造成

因此保证土石坝的坝坡稳定

是大坝安全的基础

土石坝在施工期、稳定渗流期

水位骤降期以及地震条件下

坝体承受的荷载发生变化

同时土石料的抗剪强度指标也发生变化

因此在进行土石坝坝坡稳定分析时

需考虑多种不利因素的综合影响

值得一提的是

由于土石料的散粒体材料特征

土石坝的稳定是局部坝坡的稳定问题

这与混凝土坝发生整体滑动失稳

或倾覆破坏有显著的区别

4、需做好土石坝的变形控制

土石料比混凝土材料的压缩性大

变形量大

过大的沉陷变形及不均匀变形

易引起坝体开裂及影响坝体的正常运行

地震情况下

土石坝将发生震陷

如图所示为2008年汶川地震时

紫坪铺面板堆石坝产生的破坏情况

其坝顶最大震陷量达70余cm

约占坝高的0.45%

造成坝顶防浪墙和下游坝顶边缘开裂

以及下游坝坡局部护坡滑塌等

因此

土石坝特别是高坝的变形控制

也是其关键问题

需通过合理的分区设计、提高坝体变形模量

增加抗震措施、采取特殊构造等方式

减少坝体变形的不利影响

5、筑坝土石料应有明确的设计指标要求

显然

土石料筑坝

并非土石料的随意或简单堆筑

土石料的质量越好

碾压密实度越高

孔隙率越小

强度越高

其抗渗性、稳定性、抗压缩性越好

越有利于提高坝体的安全度

但是

土石料的密实度的提高也是有限度的

取决于土石料本身的性质

以及施工碾压的能力

因此

需在满足渗流、稳定

变形等方面要求的基础上

结合实际情况

提出土石料的设计指标

如粒径级配、压实度、孔隙率

含水量、渗透系数、强度及变形参数等

6、土石坝需具有坚固的上、下游护坡

上游坝面防止波浪冲击和淘刷

下游坝面应能抵抗降雨冲刷

以保证大坝运行的可靠性和耐久性

总体来说

满足以上几方面要求的土石坝

其安全性是可以得到保证的