淺談碾壓式土石壩結(jié)構(gòu)及施工的幾個問題

淺談碾壓式土石壩結(jié)構(gòu)及施工的幾個問題

王文忠

（深圳市廣水建設(shè)工程有限公司，項目總工程師、教授級高級工程師）

【摘  要】簡述碾壓式土石壩的類型，并以深圳清林徑引水調(diào)蓄工程1號、2號壩為例，闡述土質(zhì)防滲分區(qū)、壩各部分的功能，及在大壩填筑施工中幾個值得探討的問題。

【關(guān)鍵詞】碾壓式土石壩；結(jié)構(gòu)及功能；碾壓試驗；土料不均勻性；挖填平衡

  土石壩是指由土、石料等當(dāng)?shù)夭牧咸钪傻膲?，是歷史最為悠久的一種壩型，是世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛和發(fā)展最快的一種壩型。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國興建的各種類型的壩共8.48萬座，其中95%以上為土石壩。21世紀(jì)我國水利水電事業(yè)進(jìn)入大發(fā)展時期，一大批水利水電工程將在長江、黃河、珠江等河流的中上游及其支流上開工建設(shè)。因此，我國十分重視推廣和發(fā)展土石壩的建設(shè)。

1、土石壩的類型

   土石壩按壩高可分為：低壩、中壩和高壩。高度在30m以下的為低壩；高度在30-70m之間為中壩，高度超過70m的為高壩。

   土石壩按施工方法可分為：碾壓式土石壩、沖填式土石壩、水中填土壩和定向爆破土石壩，應(yīng)用最廣泛的是碾壓式土石壩。

按土料在壩身內(nèi)的配置和防滲體所用的材料的種類，碾壓式土石壩可分為：

（1）均質(zhì)壩：壩體主要為一種土料組成，同時起防滲和穩(wěn)定作用。

（2）土質(zhì)防滲體分區(qū)壩：由相對不透水或弱透水土料構(gòu)成壩的防滲體，而以透水性較強(qiáng)的土石料組成壩殼或下游的支撐體。又可分為心墻壩、斜墻壩、斜心墻壩。

（3）非土質(zhì)材料防滲體壩：以混凝土、瀝青砼或土工膜作為防滲體，壩的其余部分用土石料填筑。

2、土石壩的結(jié)構(gòu)及各部分功能

                   現(xiàn)以深圳清林徑引水調(diào)蓄工程的1號、2號壩為例，簡單講述大壩的結(jié)構(gòu)及各部分的功能。

　　             清林徑水庫大壩采用的是我國最常用的一種土石壩形式。

2.1大壩地下防滲結(jié)構(gòu)（壩基處理）

（1）帷幕灌漿

根據(jù)規(guī)范對巖石壩基帷幕的底部深入相對不透水層應(yīng)不小于5m。帷幕應(yīng)以基巖的透水率控制，1級、2級壩及高壩灌后基巖的透水率宜為2～3Lu；3級及其以下的壩透水率宜為5～10Lu。清林徑水庫壩基為巖石其透水率設(shè)計值為3Lu。

（2）在灌漿帷幕之上，清林徑水庫土壩壩基還設(shè)計了砼防滲墻。防滲墻根據(jù)規(guī)范：砼防滲墻頂應(yīng)做成光滑的楔形，插入土質(zhì)防滲體高度宜為1/10壩高。砼防滲墻除應(yīng)具有的強(qiáng)度外，還應(yīng)有足夠的抗?jié)B性。清林徑1、2號壩防滲墻厚1500px，采用C20砼，抗?jié)B標(biāo)號為W8，墻頂設(shè)含水率大于最優(yōu)含水率的高塑性土區(qū)。

大壩壩基設(shè)立灌漿帷幕和砼防滲墻，最大限度地截住了大壩壩基的滲流量。控制了滲透的穩(wěn)定，保證了大壩的安全運行。

2.2大壩的（地上）結(jié)構(gòu)

（1）粘土防滲心墻

粘土防滲心墻是大壩的防滲體，能將滲透坡降、下游壩體浸潤線及滲流量降低到容許范圍內(nèi)。根據(jù)規(guī)范要求，  用于填筑防滲體的礫石土粒徑大于5mm的顆粒含量不宜超過50%，

最大粒徑不宜大于150mm或鋪層厚度的2/3。粒徑0.075mm以下的顆粒含量不大于15%，且粒徑＜0.005mm的顆粒含量不宜小于8%。要求壓實后，滲透系數(shù)＜1x10^-5cm/s。對1級、2級或高壩，壓實度≥98%。

（2）砂反濾層及砂礫過濾層

反濾料排水及過渡料層是大壩排水和防止大壩滲透變形的安全設(shè)施。規(guī)范規(guī)定：土質(zhì)防滲體與壩殼和壩基透水層之間以及下游滲流逸出處，如不滿足反濾要求，均必須設(shè)置反濾層。

清林徑水庫大壩設(shè)置了壩體內(nèi)排水，包括豎向排水和水平排水。經(jīng)過砂反濾層和砂礫石過渡層將水排至堆石棱體，由排水溝引入下游。砂反濾層和砂礫過渡層技術(shù)要求：①級配要求，砂反濾層粒徑為0.075-20mm，砂礫石過渡層粒徑為1-80mm；② 0.1mm粒徑含量應(yīng)小于5%；③滲透系數(shù)大于5.8×10^-3cm/s；④粒徑堅固無片狀；⑤壓實后的相對密度反濾層≥0.70，過濾層≥0.75。

（3）強(qiáng)風(fēng)化壩殼體

   清林徑大壩壩殼是根據(jù)大壩附近料場實際情況，選用當(dāng)?shù)卮罅績Υ娴膹?qiáng)風(fēng)化料為壩殼料，組成上下游大壩的支撐體。維持大壩的穩(wěn)定，保證大壩安全運行。

對強(qiáng)風(fēng)化料的技術(shù)要求：一般采用能夠壓碎的強(qiáng)風(fēng)化料，不能壓碎的宜填筑在壩殼的干燥區(qū)，壓實度≥98%。

（4）堆石排水棱體

清林徑大壩排水設(shè)計主要采用的是堆石排水棱體。大壩在運行過程中，總會有少量的水排向下游，這對土石壩是允許的，關(guān)鍵是要控制大壩的防滲體不要發(fā)生滲透變形，如發(fā)生管涌和流土的情況。滲水通過反濾層從排水棱體中排出，也是大壩穩(wěn)定和安全的保證。

堆石料的技術(shù)要求：①石料質(zhì)地致密；②抗壓強(qiáng)度大于60Mpa，強(qiáng)化系數(shù)大于0.8；③粒徑在15-800mm之間；④粒徑小于5mm的石料含量不大于5%；⑤壓實后的孔隙率為20%-28%。

3、施工中的幾個問題的探討

3.1有關(guān)碾壓試驗選擇的季節(jié)問題

根據(jù)施工規(guī)范，碾壓試驗是填筑準(zhǔn)備工作的關(guān)鍵。通過清林徑大壩碾壓試驗工作，總結(jié)出這樣的經(jīng)驗：碾壓試驗一定安排在旱季進(jìn)行。因為碾壓試驗的一個關(guān)鍵指標(biāo)是土體的含水率應(yīng)控制在最優(yōu)含水率-2%~3%之間，碾壓試驗一般都是采用天然含水率做試驗。在雨季，

土料的天然含水率一般都超過最優(yōu)含水率5個百分點，所以碾壓試驗往往不能通過。在雨季，

將含水率控制在最佳含水率范圍內(nèi)費工費時，很難實際操作，所以建議大壩填筑碾壓試驗應(yīng)該安排在旱季進(jìn)行。

3.2  有關(guān)土料不均勻性問題

      深圳地區(qū)如清林徑水庫周圍土料分布及土料風(fēng)化程度極不均勻。清林徑一號料場1—3區(qū)域一個取樣地段（10m×20m）取5個土樣進(jìn)行物理力學(xué)試驗，其結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。詳見清林徑二標(biāo)1號料場1—3區(qū)同一地段土的物理力學(xué)性質(zhì)試驗成果表。

注：5個取樣點在10m*20m范圍內(nèi)；序于4、5凡空白處為該點土樣為進(jìn)行該項目試驗。

從上表明顯看出在一個10m×20m范圍的地段內(nèi)，5個土樣試驗結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，充分證明土料的不均勻性。由于土料的不均勻性，給施工造成較大的困難，所以我們應(yīng)向業(yè)主提出這些困難，增加一些因土料不均勻性而產(chǎn)生的費用。

3.3  土料的不均勻性怎樣使用碾壓試驗成果的問題

清林徑大壩填筑，首先遇到的問題就是填筑心墻壩的土料問題。按施工規(guī)范要求，土料

的填筑應(yīng)嚴(yán)格按碾壓試驗的碾壓參數(shù)執(zhí)行。如果按規(guī)范，我們將無法操作，因為土料極

不均勻，在實際施工中我們不可能對不均勻的土料都做試驗。所以只能按土料擊實試驗干密度分1.6g/cm³、1.7g/cm³、1.8g/cm³等幾個檔次，在實際填筑碾壓中分別取土的干密度對照碾壓試驗的成果參考執(zhí)行。

3.4  合理利用土方挖填平衡問題

   大壩填筑過程中，如果開挖的土料符合大壩的填筑要求，盡可能地用于大壩填筑。所以，應(yīng)周密地對開挖地段的土料進(jìn)行分析和規(guī)劃。