楚雄欣源水利电力勘察设计有限责任公司
摘要:水库安全与人们的生活紧密相关,甚至同生命财产安全相连,土石坝的设计又与水库安全相关。本文对水库土石坝的概况与存在的险情进行论述,并探讨水库土石坝设计的关键技术,旨在为水库土石坝的优化设计提出理论参考依据。
关键词:水库;土石坝;设计;关键技术
土石坝是我国现存最古老的一种坝型(如图1),具有较长的应用史,随着科学技术水平的提升,土石坝也因发展快、应用范围广等优势在世界坝工建设中占有一席之地。现今水库土石坝在设计过程中存在着严重的问题,致使水库土石坝的险情增加,增加溃坝的几率。因此,本文针对水库土石坝设计的关键技术进行简要分析。
图1水库土石坝航拍图
一、水库土石坝存在的险情
(一)水库土石坝的渗漏
我国土石坝溃坝现象发生的主要原因为土石坝渗漏,分别为坝身渗漏,接触渗漏、坝基渗漏及绕坝渗漏等四种渗漏形式[1]。发生土石坝渗漏的主要原因可归为以下四点:第一,材质不过关。土石坝施工期间多是就地取材,同时部分土石坝所处位置的交通便利性较差。筑坝材料存在过多的杂质、水溶性较强等不过关现象,同时,碾压不充分等材料使用问题也是土石坝溃坝发生的主要原因之一。第二,坝身设计未过关,例如坝身厚度未达到标准,渗径较短等问题都会导致渗漏情况加剧。第三,排水系统不完全符合要求,土石坝具有排水棱体,但是由于部分设计存在问题,使排水体堵塞,从而致使排水体失效,甚至无排水体现象发生。第四,防水设施未过关,例如设计与要求不符合,截水槽尺寸不符合要求,碾压不实,致使和岸坡与截水槽结合不紧密,从而引发渗漏现象。
(二)水库土石坝的坝体裂缝与滑坡
水库土石坝裂缝产生的原因大致可分为四点:第一,清淤工作未能彻底进行;第二,坝基防渗措施未能达到设计效果;第三,泄洪操作失误;第四,结合部质量较差。水库土石坝坝体滑坡发生原因可归为:堪验设计工作不到位、建设工作未到位,碾压不到位等原因。
二、水库土石坝设计的关键技术
(一)对洪汛数据的复核
针对水库土石坝由于不规范建设,导致洪汛预测不准的情况,在设计与计算过程中应加强对洪汛数据的复核工作。首先,对实践监测的重视。充分利用水库当地的水文资料,同时对水库土石坝当地的水文数据进行实际的监测,了解当地的洪水汛期、暴雨量及年降水量等洪汛数据[2]。其次,在获取当地洪汛数据及水文资料后,要将所获取的资料利用相关的计算方法,求得水库土石坝的相关参数,并对求得的数据资料采取进一步调查与分析,保证所得数据科学合理。对于所补充的洪汛资料也要进行分析与论证,保证洪汛资料与实际调查的结果相吻合,符合科学合理的原则[3]。洪汛资料与流域特征对于数据资料具有较大的影响,因此,在进行资料与数据复核过程中,要避免发生系统性错误,同时及时发现错误并进行修正。要比较建筑物级别与所得数据进行对照,挑选合适的抗洪标准,同时严格按照国家指标对材料与质量进行确认,同时对洪水、洪量与洪峰流量等作为基础依据,对水库特征进行设计。
(二)抗震性能的提升
对于土石坝溃坝事件而言,地震灾害是重要原因之一,后果较为严重。因此,在土石坝设计中,抗震设计是重要内容之一。在进行地震性能设计时,要对当地的地质条件进行复核,通过对当地地质环境的实际检测,获取当地断层交汇带、地震带、密集缝隙区等地质资料,同时考虑河床的土质、缓坡、土层质量、架空、降沉等地质环境。同时,土石坝多为就地取材,因此,在设计过程中,也要对当地的土质石材的质量进行综合性考量,并且对水溶性岩石的含量进行分析[4]。除此之外,还需对土石坝的抗震性能进行分析,通过对条块水平地震惯性、动态分布系数、设计烈度等在进行拟静法时加以计算;利用动力法进行分析时要对震前坝体的初始状态、非显性应力等应变关系得出相关结论。在进行计算过程中,也需要对土石坝地震的永久性变形及残余变形加以考量。根据上述材料方法得到数据后,依据我国相关标准进行设计,同时,还需对建筑物的防震等级加以确定,严格复核审查相关数据资料,保证所获得数据运用的合理性。在设计过程中,也要对土体抗液化性能进行改善,避免存在较大液化性的土体,应用抗液化破坏的结构进行抗震设计。要从地基、坝高、水库防控设施、防渗体、坝轴线等多方面因素进行抗震考虑,注重抗震结构的合理性。
(三)土石坝防漏与排水设计
坝体渗漏主要是在坝基、坝肩及接触带出现渗漏,因此,为了确保坝体防漏、排水性能得到保障,要从以下几个方面进行设计:首先,要注重对当地土石质量的考察,在选材过程中要将易液化的土质避开,同时要综合性考虑当地的地质条件。在进行防渗墙设计时也要进行综合性的考虑设计,若坝体设计孔隙较大,可通过坝轴线设立防渗墙的方式达到防渗要求,进行防渗墙设计时,要从底部深入到二层基岩,选取防渗墙的最佳建材,灌浆是防渗墙最佳的制造方法[5]。其次,在设计时要保障上堵下排,多重结合,在进行设计过程中要在上下游、坝体采取统一的防渗漏措施,应用粘土铺盖结合开挖导渗沟的方式达到水平防渗,也可采用灌浆、充填等方式对坝体孔隙进行填补,保障防渗漏的效果更佳,在下游可通过排水棱体达到排水与防渗的作用。
(四)坝坡的防滑与固定
滑坡与滑坡性裂缝是土石坝溃坝事件发生的重要原因。因此,在进行土石坝设计过程中要对坝坡的加固加以重视。首先,要对当地的地理环境进行综合性的考虑衡量,根据当地的水文资料选择正确的坝型,在坝型选择过程中要注意自重、耗材、抗震性、温度等诸多要素。在选择坝型后,要利用不同坝型的独特优势使其可有效达成,如保障当地自然环境不会干扰施工,土石坝所用材料在当地均可获得。
(五)合理布置枢纽
为了保障枢纽布置的合理性要从以下四个方面着手:第一,坝址选择的正确性,使施工作业可顺利开展;第二,保证枢纽的全面性,可在诸多条件下正常运作;第三,相对费用的有效降低,在保障枢纽强度与稳定性的基础上,对运作成本有效合理规划,使维护、年运作费及总造价可有效降低,保障土石坝的安全性的同时,降低施工成本。
结束语
综上所述,水库土石坝的渗漏、坝体裂缝及滑坡是影响水库土石坝安全中最主要的因素。因此,在进行设计过程中,要对高危险情加以控制,上文从五个方面对水库土石坝的设计关键技术进行分析,希望可以为水库土石坝的合理设计提供参考。
参考文献
[1]王纪海.土石坝工程安全预警系统关键技术[J].建筑工程技术与设计,2015(29):152.
[2]吉洪霞.水库土石坝设计关键技术研究[J].新材料新装饰,2014(5):495-496.
[3]李晓平,梅伟,张宝琼等.软基上分期填筑土石坝方案的论证与实践[J].中国水利水电科学研究院学报,2017,15(3):187-192,199.
[4]赵廷红,沙成刚,张鹏飞等.病险土石坝加固后安全性分析[J].水利与建筑工程学报,2014(2):71-75.
[5]路强.土石坝全库盘土工膜防渗技术探讨[J].水利规划与设计,2017(7):130-132,136.