以某水庫為例分析粘土心墻堆石壩設(shè)計

郭石龍

摘要：本文以某水庫為例，首先介紹了粘土心墻堆石壩的施工工藝、操作特點以及壩料的選配，然后對于大壩整體的物理力學(xué)性質(zhì)給出分析結(jié)果，分析了粘土心墻堆石壩設(shè)計的合理性。

關(guān)鍵詞：粘土心墻堆石壩；施工；設(shè)計

粘土心墻壩作為水利工程中較常見的一種優(yōu)良防滲型建設(shè)方法，其自身具備許多不可比擬的優(yōu)點。下面我將以某水庫為例來分析這種設(shè)計。

水庫概況

該水庫是云南某縣人民為了解決本地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉，以及人們的飲水問題而投資修建的。經(jīng)過四年多的投資建設(shè)，截止到工程完工時共投資1.96億元。現(xiàn)在是一個總庫容達(dá)810萬立方米，壩高、壩頂長分別為88米和262米，且年供水量達(dá)1642.4萬立方米的大型水庫。該水庫的建成不僅解決了2.7萬畝農(nóng)田的灌溉問題，而且對于建設(shè)小康社會及促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展有重大意義。

水庫所處河段較為順直，成V字形，且山高坡陡，局部有陡立的崖壁。水庫兩岸的陡坡一般較為穩(wěn)定，只是掩體的風(fēng)化較為嚴(yán)重，好在選址區(qū)沒有明顯的斷層跡象。經(jīng)勘測，工程區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性不理想，不僅壩基存在滲漏，壩肩也存在類似問題。但同時選址的附近防滲的粘土料和石料豐富，選用的粘土心墻堆石壩設(shè)計方案可以明顯的縮減預(yù)算，并且提前工期。

2.水庫粘土心墻的施工工藝

2.1工藝特點

粘土心墻壩作為水利建設(shè)工程中最為常見的形式，心墻兩側(cè)一般采用細(xì)砂反濾，再用過渡料填筑。其優(yōu)點可以充分利用選址附近的天然建材，降低材料運輸成本。心墻的設(shè)計不僅可以實現(xiàn)大壩防滲目的，而且有很強的適應(yīng)地基變形的能力。粘土心墻有很多特點，對于原料的質(zhì)量有嚴(yán)格的要求，水庫的建設(shè)施工中已經(jīng)充分考慮了這些方面。

首先是對于不符合建材要求的粘土要把好土料的制備環(huán)節(jié)。其次要注意砂、土的施工順序，并且心墻的土料和兩側(cè)的反濾料適宜采用交錯法法上升。同時確保土料厚度和斷面尺寸，嚴(yán)把反濾料的質(zhì)量關(guān)。再次水庫大壩采用分層填筑碾壓，并且施工順序嚴(yán)格：先填反濾料再進(jìn)行第一、二層粘土料的鋪設(shè)與碾壓。然后填充過渡料以及壩殼料，最后才進(jìn)行砂礫料的碾壓。

下面再就粘土心墻堆石壩與鋼筋混凝土心墻堆石壩以及瀝青混凝土心墻堆石壩做以下簡單的對比：

表（1）粘土心墻堆石壩與其它石壩的優(yōu)劣對比

2.2操作要點

首先是粘土心墻堆石壩的施工一定要遵循嚴(yán)格的規(guī)定，從施工工藝流程的設(shè)計、施工準(zhǔn)備、心墻土料的制備以及施工過程的把關(guān)都要落到實處。

如該水庫施工工藝的基本流程可以分為十大步：（1）施工的前期準(zhǔn)備（2）心墻土料的制備（3）基面后期驗收（4）反濾料的鋪設(shè)（5）第一層粘土施工（6）邊線修整（7）第二層粘土施工（8）過濾料及壩殼（9）上料（10）反濾料、過渡料并進(jìn)行壩殼料碾壓。然后再進(jìn)行下一層的施工。

其次是施工的前期準(zhǔn)備。水庫的粘土心墻施工之前組織專門的人員對于料場進(jìn)行檢查，并進(jìn)行一系列的碾壓測試試驗，再次確定原料的含水量、強度、碾壓遍數(shù)等參數(shù)。

再次是水庫的施工過程引以為戒的三條注意事項。（1）心墻土料施工前必須保證基面需驗收合格。（2）砂、土的施工順序，即先砂后土法。（3）反濾料的施工也有務(wù)必遵循的經(jīng)驗。如先鋪設(shè)心墻兩側(cè)的反濾料，采用挖掘機(jī)在料場挖裝；再用大型機(jī)械裝運的過程中輔之以人工精確地鋪設(shè)，同時保證反濾料單層高度為粘土層的兩倍，并且等待粘土層和反濾料齊平后和過渡料、壩殼料進(jìn)行一次性的碾壓 。

3.防滲料選配

水庫壩址區(qū)附近有豐富的壩殼堆石料、風(fēng)化石料以及防滲粘土料，可就地取材就可以滿足工程的需要。但反濾所需的石料不能在壩區(qū)獲得，最近的石料在2 2km處的馬登河，并且無論是儲量還是質(zhì)量都能滿足建設(shè)施工的需求。

該水庫的防滲土料來源于4個料場，4個料場防滲土料質(zhì)量均經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量測驗。其中1-3號料場的土料顆粒粒徑范圍屬寬級配，均存在局部粘粒含量偏高與塑性指數(shù)偏大，不均一的現(xiàn)象，但是只要加以處理就可以滿足施工要求。便利的是1-3號料場的儲量達(dá)到47多萬立方米，不僅大于預(yù)計的用量、開采條件好、交通方便，而且就在壩址附近，有利于就地取材。

1號防滲料廠的儲量最大，其中測得的物理指標(biāo)為：粒徑平均含量24.5%，其中大于2mm的粒徑占40%；自由膨脹率一般小于16.9%；塑性指數(shù)一般在20以內(nèi)；最良的含水量為25%，天然的含水量為23.8%。實驗測得的力學(xué)指數(shù)，如涂料的壓縮系數(shù)屬于中性壓縮土。

當(dāng)然2-3號料場也具有很好的地理優(yōu)勢，儲量雖然不及1號大，但也很有優(yōu)勢。比如2號料區(qū)由于具有粘粒含量低與粘土質(zhì)砂的特點，恰好可以用于壩頂水頭較低的位置；而3號粘粒含量較高的特點可以用于和心墻的混凝土的蓋板銜接的部分，使得物盡其用。因此水庫的施工過程中把1-3號料場作為防滲料場的主料場。

水庫大壩的構(gòu)架設(shè)計

水庫的大壩結(jié)構(gòu)如下圖（1）：

圖（1）水庫的大壩結(jié)構(gòu)

4.1大壩的壩頂與壩坡

大壩的頂部由于不用過于考慮交通的壓力，只是考慮到地震等自然災(zāi)害的情況，設(shè)計結(jié)果為長250米，寬10米。上下游的壩坡的坡比分別為1:1.9和1:1.7.并且分成了不同的五級，級差設(shè)為四個18米與一個19.2米。護(hù)坡采用普遍的大石塊，修整平整又不失美觀。

4.2大壩的滲流、穩(wěn)定計算

我們一般簡化大壩的滲流計算，即將大壩的滲流簡化為對粘土心墻的計算。經(jīng)計算該水庫壩體壩基年滲漏量為 80多萬立方米。

而對于壩體穩(wěn)定性的計算通常采用簡化的畢肖普法，按有效應(yīng)力法計算；而對堆石料力學(xué)的指標(biāo)同時用線性和非線性指標(biāo)計算。通過簡單的計算我們得到水庫的穩(wěn)定性計算結(jié)果：上、下游壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.119和1.184；當(dāng)壩體堆石料采用非線性強度指標(biāo)時，上、下游壩坡最小抗滑的穩(wěn)定安全系數(shù) 1.815和1.714，均在安全范圍內(nèi)。

4.3大壩的應(yīng)力、沉降計算結(jié)果

在正常的蓄水位，有限元應(yīng)力、應(yīng)變計算結(jié)果也會因為外界不可抗的原因大不相同，下面先論述考慮滲流場和應(yīng)力場耦合作用下的計算結(jié)果，然后再考慮Ⅷ度地震作用下的結(jié)果。

對于前者的情況，高程越高，順河向位移值也就越大，最大順河向的位移發(fā)生在壩體上游面靠近壩頂處，最大為32.2cm。相對的壩體另一個方向的最大位移發(fā)生在壩頂靠上游部位，最大值為67.3cm。第一主應(yīng)力的分布成層狀，然后均勻增加。

對于后一種情況，有限元應(yīng)力、應(yīng)變計算結(jié)果為：在地震情況下最大水平位移64.1cm，發(fā)生在壩頂處；最大豎向位移78cm，發(fā)生在壩體下游面中部。除壩頂和靠近壩頂?shù)南掠蝹?cè)壩面局部區(qū)域產(chǎn)生較小拉應(yīng)力外，其余部分均為壓應(yīng)力，最大值約為1400kPa。

分層總和法計算是一般要求使用的規(guī)范算法，水庫的最大剖面粘土心墻最終沉降的測量值為348cm，竣工時沉降量為294cm，竣工后將繼續(xù)沉降54cm，因此預(yù)留1％壩高即可。

5.大壩的后期監(jiān)測

大壩的后期監(jiān)測一般分為內(nèi)、外部監(jiān)測。目的為實時的監(jiān)測大壩的安全，同時可以收集大壩的變化信息，對施工質(zhì)量的評測給出有力的證據(jù)資料。檢測的原則是：全面、高效、經(jīng)濟(jì)。即埋設(shè)最少的設(shè)備，花最少的資金得到最大量的信息。

6.結(jié)語

經(jīng)過本文的論述我們對于粘土心墻堆石壩設(shè)計方案已經(jīng)有了更為詳盡的認(rèn)識。特別是當(dāng)壩址地有充足的建設(shè)原料時，這種方案可以就地取材，可以省工省時，不僅高效而且保質(zhì)保量的完成工期。因此，粘土心墻壩才作為水利工程中較常見的一種優(yōu)良防滲型建設(shè)方法，不斷普及應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]林昭．碾壓式土石壩設(shè)計．河南鄭州：黃河水利出版社，2008

[2]王宏碩，翁情達(dá)．水工建筑物專題部分[M]．北京:水利電力出版社，2006.

[3]朱伯芳．有限單元法原理及應(yīng)用[M]．北京:水利水電出版社，2005