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教学视频(2)课程教案、知识点、字幕

同学们好

本节课我们学习

一个关于土石坝坝料设计

坝料施工工艺

及其质量控制创新应用的典型案例

即本人曾参与设计研究的

糯扎渡心墙堆石坝掺砾料的实践与创新

其中涉及在天然土料中

掺入砾石形成掺砾料的试验研究

混掺施工工艺、碾压质量控制等

多个方面的创新性研究成果

代表了我国高心墙堆石坝建设的最高水平

值得同学们参考学习

糯扎渡心墙堆石坝最大坝高261.5m

为超高心墙堆石坝

大坝的安全至关重要

而心墙作为大坝中最重要的防渗结构

对其坝料的渗透性

压缩性与强度都提出了更高的要求

在坝址区上游分布有

如图所示的天然土料场

但经试验和计算结果表明

天然土料偏细

粘粒含量大

防渗性能很好

但其压缩性较大

易引起心墙过大的沉降

以及与堆石料间的不均匀沉降

造成心墙开裂

难以满足高坝安全的要求

需要考虑土料改性

经初步论证

拟采用在天然土料中掺加人工级配碎石

形成砾质土

以改善土料的性质

由于当地土石料存在天然变异性

对于掺砾量的比例多少

如何混掺、质量如何控制等问题

都没有可用数据及经验可循

因此需开展相关的研究工作

对于掺砾量

开展了掺入不同比例砾石后的

压实密度、压缩性、渗透性

及渗透稳定性方面的试验研究

1、压实密度

其试验曲线如图所示

横轴为不同掺砾条件下

土料击实后的含砾量

纵轴为对应的干密度

试验分全料击实和细料击实

以及不同的击实功能等多种方案

可以看出

击实功1470kJ/m3条件下

含砾量在40%以前

击实功2690kJ/m3条件下

含砾量在50%以前

压实密度随含砾量的增加而增加

随后密度呈下降趋势

表明掺入部分砾石后

土料的压实密度提高

但掺砾量过大时易形成骨架作用

又降低了其压实效果

从压实密度方面来看

掺砾量30%~40%较为合适

2、压缩性

试验曲线如图所示

为对应不同掺砾量条件下

进行压缩试验所得的单位厚度土体的沉降量

反映压缩性的大小

可以看出

掺砾土料的压缩性随掺砾量的增加而减少

当掺砾量介于0%~40%时

压缩性明显降低

掺砾量继续增至50%以后

砾石逐渐起骨架作用

压缩性降低的幅度减小

掺砾量到60%以后

压缩性甚至有所增强

因此

要使心墙与坝壳堆石料的变形相协调

在天然土料中掺入30%~40%的硬岩是

可行而且必要的

3、渗透性

一般而言

土料中掺入更大粒径的砾石后

其渗透性一般会增强

如图所示为不同掺砾量的土料

进行渗透试验所得渗透系数的变化曲线

可以看出

掺砾土料的渗透系数

随掺砾量的增加而增大

当掺砾量≤40%时

渗透系数为10-7cm/s量级

当掺砾量增至50%以后

渗透系数增加较快

掺砾土料作为防渗心墙料

其渗透系数显然不能太大

对于高土石坝

一般需低于10-6cm/s量级

因此

由试验曲线大致确定

掺砾量宜控制在40%以下为宜

4、渗透稳定性

掺砾土料作为心墙

还必须有较好的抵抗渗透变形的能力

以防止发生土颗粒的流失、冲刷等

严重影响大坝安全

如图所示为

不同掺砾量的土料进行抗渗试验所得

破坏时的水力坡降的变化曲线

可以看出

随掺砾量的增加

抗渗坡降降低

当掺砾量为30%~50%时

抗渗坡降稍有降低但总体变化不大

当掺砾量大于50%后

抗渗坡降下降明显

表明土料的抗渗能力大幅降低

因此

从抗渗角度考虑

掺砾量不宜超过50%

由以上4种针对不同掺砾量的

土料特性的试验研究结果表明

掺砾量在20%以下时

对土料的改性效果不明显

掺砾量30%~50%较为合适

在不明显降低土料的抗渗性

和抗渗透变形性能的前提下

土料的抗压缩性能得到增强

而极限掺砾量不宜超过50%

以免形成明显的骨架作用

以及土料抗渗性能的大幅降低

综合以上分析

设计最终确定为掺砾量35%

确定掺砾量后

还需研究混掺及施工工艺

即采用何种方式

使得掺入的砾石能与粘性土料混合均匀

以及填筑上坝后能碾压均匀密实

对于混掺工艺

在掺合料场按现场实测

松方密度以35%质量比掺砾

换算成三个不同的铺层厚度方案

进行混掺工艺试验

三个方案如表格所示

碎石料厚度

分别为0.35m、0.50m和0.65m

天然土料的厚度

分别对应为0.72m、1.03m和1.35m

碎石料与天然土料相间铺料

至设计高度约5m

根据现场工艺试验研究结果表明

从混掺的均匀性考虑

最终采用碎石料厚度0.50m+

天然土料厚度1.03m混掺方案

如图所示

采用水平互层铺料

天然土料铺层厚度1.03m

碎石料铺层厚度0.50m

由下而上

总铺层厚度大约5m

然后开采上坝

开采施工工艺如图所示

掺合料采用正铲挖掘机立采混合料

汽车运输至坝面后摊铺碾压

碾压施工工艺如图所示

采用三一重工ZK180型

标准震动凸块碾碾压

掺砾料在坝面的填筑铺层厚度约27cm

碾压10遍

为考察掺砾土料的均匀性

碾压前通过现场试验检测了

掺砾料的含砾量范围为23.9%~54.8%

大部分在30%~40%之间

尽管局部有少量的砾石集中现象

但整体上均匀性较好

具有可掺性

表明上述施工工艺合理可行

解决了掺砾料的混掺

开采及碾压施工工艺问题之后

还有最后一道过程需要质量把关

那就是碾压施工质量的控制

对于土石坝的碾压施工

以往由于没有先进有效的质量控制手段

使得土石坝的施工质量某些程度上

“被控制在运输车辆和碾压车辆的司机手中”

存在运输车辆装错坝料

卸错分区、行车路线不规范

在不同坝料分区随意穿行等

对于碾压车辆

存在碾压遍数不够、漏碾

行车速度过快、行车轨迹任性等多种问题

使得土石坝的施工质量可能存在局部缺陷

对大坝安全造成隐患

为改变这些不利状况

提高大坝碾压施工质量

糯扎渡心墙堆石坝的施工研发

并使用了数字大坝碾压施工质量

实时监控系统

对坝料从料源点到坝面的运输

上坝、碾压的全过程进行实时动态监控

如图所示

实时定位上坝运输车辆

计算和显示车辆空满载状态

调度车辆配置

实时判别车辆卸料匹配情况

在坝料的碾压施工方面

如图所示

对大坝碾压过程实时监控

对填筑单元铺料厚度、碾压轨迹

碾压遍数、行车速度、激振力等

指标进行实时监控分析

得到碾压轨迹图形报告

和碾压遍数图形报告

及时发现施工中

碾压遍数不够、漏碾

行车速度过快、行车轨迹偏离等问题

在现场设立数字大坝监控指挥中心

由专人通过计算机软件系统

进行实时在线监控

一旦出现施工差错、不规范等问题

及时反馈并通知现场施工管理人员

进行修改、整顿

情况严重的采取惩罚措施

严格确保现场施工质量满足要求

通过上述系列实时监控手段

大坝的施工质量明显提高

据统计分析

2010年实时监控堆石料碾压8遍的

合格率占98.6%

心墙料碾压10遍的合格率为97.5%

保证了大坝良好的施工质量

2012年底

糯扎渡大坝竣工

蓄水至正常蓄水位时

大坝经受了最大挡水水头252m的考验

根据安全监测资料分析与反演计算

大坝的应力、变形、渗流与设计吻合较好

其中

大坝渗流量仅5~20L/s

远低于100m级高土石坝渗流量

常达100~200L/s的量级

坝体最大沉降量4.19m

占最大坝高1.6%

坝顶最大沉降仅0.43m

远小于国内外已建同类工程

大坝的运行情况良好

表明了掺砾料设计方案和施工工艺的合理性

也表明大坝施工质量监控系统发挥了重要的作用

在糯扎渡高心墙堆石坝工程的设计建设过程中

荣获多项国家科技奖励

该工程2017年荣获堆石坝国际里程碑工程奖

2018年荣获中国土木工程詹天佑大奖

可以说

糯扎渡高心墙堆石坝是一座近乎完美的土石坝

很多创新性研究及工程实践成果

是值得同学们认真学习借鉴的

水工建筑物课程列表:

1 绪论

-1.1 水问题与水利工程及本课程概述

--教学视频

-1.2 中国当前的水利工程建设概况

--教学视频

--学习参考-澜沧江水电开发

-1.3 水利枢纽与水工建筑物

--教学视频

-本章讨论

-本章测试

2 重力坝

-2.1 概述

--教学视频

-2.2 重力坝的荷载及其组合

--教学视频

-2.3 重力坝的抗滑稳定分析

--教学视频(1)

--教学视频(2)

-2.4 重力坝的应力分析

--教学视频

-2.5 重力坝混凝土材料及温度控制

--教学视频(1)

--教学视频(2)

--学习参考-三峡大坝的混凝土温控

-2.6 重力坝的构造

--教学视频

-2.7 重力坝的基础处理

--教学视频

-2.8 泄水重力坝

--教学视频(1)

--教学视频(2)

--教学视频(3)

--学习参考-大坝泄洪

-2.9 其他型式的重力坝

--教学视频

--学习参考-丰满水电站碾压混凝土重力坝

-学习参考-滚弄混凝土重力坝工程

-学习参考-曲孜卡水电站混凝土重力坝工程

-本章讨论

-本章测试

3 拱坝

-3.1 概述

--教学视频

--学习参考-溪洛渡拱坝

-3.2 拱坝的荷载及其组合

--教学视频

-3.3 拱坝的体型与布置

--教学视频

-3.4 拱坝的抗滑稳定分析

--教学视频

-3.5 拱坝的应力分析

--教学视频

-3.6 拱坝的材料与构造

--教学视频

-3.7 拱坝的坝基处理

--教学视频

-3.8 拱坝的坝身泄水

--教学视频

-学习参考-白鹤滩拱坝

-学习参考-乌东德拱坝枢纽工程设计方案简介

-学习参考-乌东德水电站施工现场

-本章讨论

-本章测试

4 土石坝

-4.1 概述

--教学视频(1)

--教学视频(2)

--教学视频(3)

-4.2 土石坝的断面

--教学视频

-4.3 土石坝的材料与设计标准

--教学视频(1)

--教学视频(2)

-4.4 土石坝的渗流分析与渗透稳定

--教学视频

-4.5 土石坝的稳定分析

--教学视频(1)

--教学视频(2)

-4.6 土石坝的变形分析与变形控制

--教学视频

-4.7 土石坝的构造

--教学视频

-4.8 土石坝的坝基处理

--教学视频

-4.9 混凝土面板堆石坝

--教学视频

--学习参考-古水面板堆石坝工程

-学习参考-缅甸腊撒水电站土石坝枢纽工程

-本章讨论

-本章测试

5 岸边溢洪道

-5.1 概述

--教学视频

--学习参考-井式溢洪道

-5.2 正槽溢洪道

--教学视频

--学习参考-糯扎渡水电站溢洪道中槽泄洪

--学习参考-糯扎渡水电站溢洪道左、右泄槽泄洪

-本章讨论

-本章测试

6 水工隧洞

-6.1 概述

--教学视频

-6.2 水工隧洞的布置

--教学视频

-6.3 水工隧洞的进口段

--教学视频

-6.4 水工隧洞的洞身段及出口段

--教学视频

-6.5 地下洞室围岩稳定与支护

--教学视频

-学习参考-糯扎渡水电站泄洪洞泄洪

-学习参考-白鹤滩水电站泄洪施工动画

-本章讨论

-本章测试

7 土基上的水闸

-7.1 概述

--教学视频

--学习参考-水闸的组成

-7.2 水闸的防渗排水设计

--教学视频

-7.3 水闸的消能防冲与闸室设计

--教学视频

-学习参考-某闸坝简介

-学习参考-水闸的运行管理

-本章讨论

-本章测试

8 水工建筑物破坏案例分析

-教学视频

-学习参考-75.8板桥水库垮坝

-学习参考-俄罗斯萨扬水电站失事案例

教学视频(2)笔记与讨论

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