土石壩是目前世界上大壩建設工程中應用最廣泛、發展最快的壩型。與其他壩型相比,土石壩在經濟和施工方面具有絕對優勢。據不完全統計,土石壩占世界大壩總數的82.9%,而在中國,土石壩數量占大壩總數的93%。
由於土石壩施工所用的材料壹般都是就地開采,施工中充分利用各種開挖料,包括當地的土、石或混合料,所以土石壩的施工就是將這些材料拋擲碾壓而成的擋水壩,所以土石壩也叫當地料壩,當壩料以土、礫為主時,就叫土壩。當石渣、卵石、爆破石為主要材料時,稱為堆石壩;當兩種當地材料占相當比例時,稱為土石混合壩。
根據施工方法的不同,土石壩可分為碾壓式土石壩、充水式土石壩和定向爆破堆石壩。其中,碾壓式土石壩應用最為廣泛,其主要特點是對地基要求低,對地基變形適應性強。
土石壩按壩高可分為低壩、中壩和高壩。然而,高壩建設技術只是在近代才發展起來。
根據壩體土料的配置和防滲所用材料的類型,碾壓土石壩可分為均質壩、土質心墻壩、土質斜墻壩、各種土質壩、人工材料心墻壩和人工材料面板壩。
土石壩是最古老的壩型。其優點包括:就地取材,節約鋼材、水泥、木材等重要建築材料,減少築壩過程中的長途運輸;結構簡單,維修、加高和擴展方便;土石壩的壩體是土石的顆粒結構,適應變形的性能好,所以對地基的要求低;施工工藝簡單,工序少,便於組合機械快速施工。其缺點是壩體壹般不能溢流,施工導流不如混凝土壩方便,粘性土填築受氣候條件影響較大。
土石壩建設最大的病害是滲漏。如何控制和防止滲漏是土石壩建設中最重要的任務之壹。
所謂滲流,是指土石壩填築的土料和壩基的礫石是顆粒結構,顆粒之間存在大量孔隙,因而具有壹定的透水性。當水庫蓄水後,在水壓的作用下,水必然會沿著壩體土、壩基土和大壩兩側地基中的孔隙向下遊滲透,造成壩體、壩基和大壩周圍的滲漏。如果這次滲流在設計控制之下,大壩任何部位的土體都不會受到滲流的破壞,屬於正常滲流。此時的滲流量壹般較小,水質清澈透明,沒有土粒,不會對壩體和壩基造成滲透破壞。反之,則是異常滲流可造成土體的滲透破壞,或滲流工過大集中,水質渾濁,透明度低,造成管湧、土流、壩體或壩基接觸沖刷等滲透破壞。
根據我國早期土石壩工程的統計,對於中小型水庫來說,滲流引起的破壞事故最多,其次是滲漏引起的潰壩,可見滲漏引起的潰壩相當嚴重。因此,確保壩體和壩基的防滲是確保土石壩安全的重要措施。
滲流控制的控制理論在工程實踐中得到發展和應用,是實踐反饋的結果。其中,滲流的基本原理、滲流場的分析方法和土的滲透穩定性是滲流控制理論的基礎。防滲技術是滲流基礎理論的實施措施,主要包括灌漿技術、濾水壩技術、土石壩邊坡滑動破壞加固技術、土石壩壩體灌漿粘土漿加固技術、壩體和壩基密實加固技術、土工合成材料加固技術、防滲墻及其壩基加固技術。
總結起來,異常滲流的原因有:①壩料與排水體之間的反濾層設計不正確,層間系數過大,或施工時混合層交錯,或填料不夠密實,過多的滲流使填料流失到排水體中,會造成反濾層的破壞和失效。反濾層是整個防滲系統的關鍵環節。即使出現前方裂縫或滲漏通道的滲流體,只要反濾層工作正常,排水降壓,滲漏破壞也不會擴大。(2)防滲體未達到基巖或底部連續可靠的粘土層。開挖截槽時,因施工困難中途廢棄,留下隱患。③土石壩兩岸岸坡呈階梯狀。它應該被挖掘成壹個平滑的斜坡。為了減少開挖,可以改變坡度。在上下斜坡的轉彎處,兩個坡角之差不應大於15° ~ 20°。如果有平臺,平臺處填土高度與平臺兩端填土高度不同,沈降突變,容易產生裂縫,導致滲透破壞。
如何科學有序地組織施工,提高工程質量,控制滲漏,是整個過程成敗的關鍵。我認為土石壩的施工過程應在以下幾個方面進行控制:
(1)做好基礎治療工作,必須做到萬無壹失。很多大型土石壩都是在滿足壩基承載力和基礎防滲的條件下,地基處理穩定後才能填築,特別是地基處理工程建在深厚覆蓋層上,需要采用防滲墻、振沖、帷幕灌漿、固結灌漿等綜合處理地基。
(2)有當地地質和水文氣象資料、工期控制較好的季節性土石壩,對水文氣象因素極其敏感。雨季,土料含水量影響較大,直接制約大壩填築,施工強度會受到影響;對於汛期施工,應制定有針對性的施工計劃。土石壩工程壹般不允許溢流,對開挖工程、混凝土工程、灌漿工程、填築工程有不利影響。因此,必須提高月填築強度,才能按安全度汛要求按期達到攔河高程。
(3)保證工程料場開采的土石方的材質。料場對土石壩的重要性不言而喻,但也是最容易影響大壩順利填築的軟肋。根據工程實踐,壹般來說,料場的地質勘探深度遠小於壩址,尤其是填築量最大的堆石體,往往只用少量的勘探孔或地形勘探來描述。進場後很有可能隨招標文件變化,不會形成大規模開采條件,直接影響大壩填築級配是否有保證。在防滲土方面,含水量也成為了大壩能否快速填築的關鍵。因此,以完善和審慎的態度進行料場的復查和再勘探,做好料場的復查和儲量計算,做到心中有數,就顯得尤為重要。
另外,材料的碾壓試驗也是壹項非常重要的工作。對於土石壩而言,碾壓試驗是填築前最重要的技術參數論證工作,也是決定大壩能否順利填築、確保大壩安全的重要環節。碾壓試驗的質量直接影響壩體的填築。
在碾壓試驗中,需要確定和調整防滲土料的含水量,同時需要確定堆石料的噴水量。另外,為保證土石壩填築質量,土石壩工程施工必須要求試坑取樣,填築面壓實合格並能通過驗收後才能進行下壹層填築。
(4)確定合理的壩面分區是填築工程施工的關鍵。由於土石壩體型較大,為壩面分區流水作業提供了必要的場景。土石壩工程在填築過程中壹般分為鋪築、攤鋪、灑水、壓實、質檢等工作。在壩面分區流水作業中,防滲土料的施工應根據填築的需要,根據實際情況合理劃分填築區域和進行流水作業,並調整機械設備和填築情況。對於水平填築和臨時段填築的土石壩工程,不能因盲目減少臨時段填築量而影響大型機械的正常施工,必須保證填築質量。
⑤根據工程實際情況,確定並采用壩基加固技術,主要指土石壩灌漿加固技術,包括灌漿設計和灌漿工藝。
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