土石壩樞紐設(shè)計相關(guān)研究

焦致銳

摘要：土石壩樞紐的設(shè)計工作對于土石壩施工工程質(zhì)量有著關(guān)鍵的影響，需要設(shè)計技術(shù)人員從多方面考慮影響其設(shè)計的因素，并針對實際情況分析解決的方法與策略。

關(guān)鍵詞：土石壩；樞紐；設(shè)計

引言

目前，我國在建和正在設(shè)計的水利水電樞紐工程多地處西部偏遠山區(qū)，壩址地形地質(zhì)條件背景復(fù)雜，壩基覆蓋層多較為深厚。水庫安全工作的重要性日益凸顯，特別是土石壩屬牛的優(yōu)化設(shè)計工作已經(jīng)成為現(xiàn)階段我國水利工作者們主要研究課題和重點任務(wù)。

1 土石壩的分類

土石壩主要是由土料、石料或混合料經(jīng)過拋填、輾壓等施工方式堆筑而成的壩型，構(gòu)成材料多數(shù)可以就地取材，在施工中避免了運輸工序，既節(jié)省了時間，又節(jié)省了成本，具有其他壩型無法比擬的優(yōu)勢。其特點為可以就地取材，結(jié)構(gòu)相對簡單，對地基要求不高，可以很好地適應(yīng)地形，在施工中，技術(shù)簡單，對機械要求不是很高。但土石壩也有不足之處，就是壩身不能溢流，施工導(dǎo)流不如混凝土壩方便，粘性土料的填筑受氣候條件影響較大等。土石壩按其組成材料的比例不同，可分為土壩、堆石壩、土石混合壩，土壩主要是以土和砂礫為主，堆石壩主要以石渣、卵石、爆破石料為主，而兩類材料比例相當則構(gòu)成了土石混合壩。如果按其施工方法不同，則有碾壓式、沖填式、水中填土壩及爆破堆石壩等種類。土石壩按壩高度來區(qū)分，則有低壩、中壩和高壩三種。在實際施工中，碾壓式土石壩最為常見，按其壩身的配置和防滲體所用的材料種類，則又有均質(zhì)壩、土質(zhì)心墻壩、土質(zhì)斜墻壩、多種土質(zhì)壩、人工材料心墻壩、人工材料面板壩等多種類的區(qū)分。

2樞紐總體布置

（1）水庫樞紐建筑物組成。根據(jù)水庫樞紐的任務(wù)，樞紐組成建筑物一般包括：攔河大壩、水電站建筑物、泄水建筑物、放空洞等。

（2）工程規(guī)模。某水電站總庫容53.90億m3，電站裝機6臺，單機容量550MW，總裝機容量3300MW。根據(jù)《水利水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計標準》及該工程的一些指標確定工程規(guī)模如下：根據(jù)水庫總庫容確定樞紐等別為一等。大壩、溢洪道、泄洪隧洞、電站進水口及引水管道、主副廠房、放空洞等主要建筑物按1級建筑物設(shè)計；其他次要水工建筑物按3級建筑物設(shè)計。

（3）防洪標準。根據(jù)《防洪標準》GB50201-94的規(guī)定，并考慮本工程的重要性，各建筑物洪水標準為：攔河壩為土石壩，采用設(shè)計洪水頻率P=0.2%，重現(xiàn)期500年，相應(yīng)洪峰流量9460m3/s；校核洪水采用可能最大洪水（PMF），相應(yīng)洪峰流量15250m3/s。電站廠房采用設(shè)計洪水頻率P=1%，重現(xiàn)期100年，相應(yīng)洪峰流量9440m3/s；校核洪水頻率P=0.1%，重現(xiàn)期1000年，相應(yīng)洪峰流量11500m3/s。泄洪建筑物按重現(xiàn)期500年洪水設(shè)計、最大可能洪水校核。河流兩岸護坡按100年一遇洪水設(shè)計。

（4）樞紐總體布置方案的確定。樞紐布置的基本原則是充分利用壩址區(qū)的地形地質(zhì)條件。左岸為凸岸，利用裁彎取直，可以縮短引水、泄水線路。左岸出露的巖體為中粗?；◢弾r，沒有大的地質(zhì)構(gòu)造，較新鮮完整，具備修建大型地下洞室的地質(zhì)條件。因此采用左岸地下廠房長尾水樞紐布置方案，即河床中建心墻堆石壩，引水發(fā)電建筑物及泄洪建筑物均布置于左岸，右岸設(shè)置一條放空隧洞。其中泄洪建筑物包括一條溢洪道、一條深孔泄洪洞。

3壩型及壩線選擇

（1）壩型選擇。影響土石壩壩型選擇的因素很多，最重要的是壩址附近的筑壩材料，還有地形地質(zhì)條件、氣候條件、施工條件、壩基處理、抗震要求等因素。選擇幾種比較優(yōu)越的壩型，擬定剖面輪廓尺寸，進而比較工程量、工期、造價，最后選定技術(shù)上可靠、經(jīng)濟上合理的壩型。根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件，比較了心墻土石壩（直心墻和斜心墻）、混凝土面板堆石壩（趾板建在基巖上）和瀝青混凝土心墻壩3種壩型。

（2）壩線選擇。本工程以勘探線作為壩軸線，樞紐布置可以充分利用河灣地形，防滲線和墻范圍覆蓋層中無砂層分布，兩個砂層透鏡體分別位于壩體上、下游壓重之下，對土石壩和混凝土防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變及動力穩(wěn)定影響小，也有利于砂層抗地震液化；兩岸的接頭條件好，谷坡穩(wěn)定，無不利地質(zhì)構(gòu)造；導(dǎo)流洞洞線短，進出口穩(wěn)定條件較好。

4 泄水建筑物設(shè)計

該項工程壩址處河谷狹窄，洪水流量大，擋水大壩高達186m，具有“高水頭、大泄量、窄河谷”的特點。鑒于本工程河流左岸出露的巖層系中粗粒花崗巖，巖性堅硬，大多較新鮮完整，且左岸為河灣的凸岸，轉(zhuǎn)角近90°，因此，泄洪建筑物及引水發(fā)電建筑物均設(shè)在河流左岸。泄洪建筑物包括一條溢洪道、一條深孔泄洪洞。

（1）溢洪道設(shè)計。溢洪道的布置應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)、工程特點、樞紐布置、壩型、施工及運用條件、經(jīng)濟指標等綜合因素進行全面考慮。本設(shè)計采用正槽式溢洪道，溢洪道軸線基本順直，與壩軸線基本垂直，將洪水下泄至下游河床。溢洪道由引水渠、控制段、泄槽、消能防沖設(shè)施及尾水渠等組成。

（2）引水渠設(shè)計。引水渠的布置應(yīng)遵循下列原則：選擇有利的地形 地質(zhì)條件；在選擇軸線方向時，應(yīng)使進水順暢；引水渠較長時，宜在控制段之前設(shè)置漸變段，其長度視流速等條件確定，不宜小于2倍堰前水深；引水渠進口布置應(yīng)因地制宜，使水流平順入渠，體型宜簡單；引水渠底寬順水流方向收縮時，進水渠首、末端底寬之比宜在1.5～3之間，在與控制段連接處應(yīng)與溢流前緣等寬。底板宜為平底或不大的反坡。

5土石壩加固工程設(shè)計

溢洪道起著排水減壓的重要作用，水庫安全的保險閥。由于當初對其認識不夠，絕大多數(shù)水庫的溢洪道設(shè)置非常簡單，一般采用土溢洪道、半土溢洪道等方式，根本無法滿足實際使用需要。另外，由于上述簡易溢洪道抗沖刷能力和泄洪能力不足，容易引發(fā)水土流失、漿石等問題，甚至有的水庫溢洪道野草叢生，嚴重影響了溢洪道正常功能的發(fā)揮。

（1）地質(zhì)指標分析。石材和土料是修建土石壩主要施工材料，性質(zhì)好壞直接關(guān)系著土石壩建成投入使用后的質(zhì)量水平。要保障工程質(zhì)量，必須對施工過程中涉及到的石材和土料進行嚴格的性能管控。要按照技術(shù)規(guī)范對石材和土料進行理化分析。不同土層、不同土質(zhì)都要取樣分析，杜絕以偏概全，發(fā)現(xiàn)問題要及時處置。

（2）材料設(shè)計。土石壩工程材料設(shè)計，就是綜合考慮設(shè)計要求和土料的性能指標，對土料予以科學合理地使用安全，從而充分發(fā)揮材料的性能，保障工程質(zhì)量。由于材料性能和用法的不同，設(shè)計分析也要采取不同的設(shè)計指標和設(shè)計方法。特別是要對嚴格管控土料的密度，以提高土質(zhì)的抗剪強度和抗拉裂能力。

（3）除險加固設(shè)計。土石壩除險加固設(shè)計是一門綜合性學科，設(shè)計過程中需要應(yīng)用的知識和涉及的問題范圍極廣。其中，壩坡質(zhì)量、穩(wěn)定性、滲透性、護坡設(shè)計等是土石壩設(shè)計工作的重點。要保障這些項目設(shè)計目標的圓滿實現(xiàn)，必須進行深入細致的土質(zhì)勘察工作，并做到施工全過程中土質(zhì)質(zhì)量的嚴格管控，保障土質(zhì)質(zhì)量符合要求。

結(jié)束語

綜上所述，作為水利工作者，要充分認識到水庫病害的危險和出現(xiàn)加工施工的重要作用，做好前期調(diào)研，根據(jù)當?shù)貙嶋H情況制定科學合理、切實可行的加固除險施工方案，從而為水庫的長久平穩(wěn)高效運行提供堅實保障，進而促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定。

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