S堆石壩工程中土石壩設(shè)計方案案例目錄TOC\o"1-3"\h\u10784S堆石壩工程中土石壩設(shè)計方案案例 1273931.1土石壩壩型選擇 159371.1.1均質(zhì)壩 169431.1.2土質(zhì)心墻壩和斜墻壩 2140881.1.3非土質(zhì)防滲體壩 2267831.2基本剖面設(shè)計 237311.2.1壩頂高程 2195851.2.2壩頂寬度 590951.2.3壩坡及馬道 5193141.2.4防滲體心墻 6282671.2.5護(hù)坡 641631.2.6排水 7147581.3土料設(shè)計 8171991.3.1壩殼的土石料選擇要求 9159161.3.2防滲體填料的選擇要求 9195461.3.3排水設(shè)施和護(hù)坡的結(jié)構(gòu)布置 1047491.3.4反濾層和過渡層的結(jié)構(gòu)布置 101.1土石壩壩型選擇影響土石壩壩型選擇的因素很多，其主要的是壩體結(jié)構(gòu)、壩坡穩(wěn)定、壩基覆蓋層防滲處理、壩址附近的筑壩材料，還有地形地質(zhì)條件、抗震要求等。通過對各種因素進(jìn)行比較，選定經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益優(yōu)良的壩型。1.1.1均質(zhì)壩對于均質(zhì)壩，在影響壩體運行穩(wěn)定性的因素中不能忽略地下水壓力的負(fù)向作用，其所用的土料的滲透系數(shù)較小，土料抵抗剪切滑動的作用減弱，因而使均質(zhì)壩具有坡比不能較陡，施工進(jìn)度緩慢，且不易滿足壩坡穩(wěn)定要求的缺點。除此之外，均質(zhì)壩填筑施工容易受到降雨的影響，不利于加快施工進(jìn)度，縮短工期。均質(zhì)壩適用于高度較小的壩（一般不超過50m）。估計該壩高度在70m左右，因此這里不適合修建均質(zhì)壩。1.1.2土質(zhì)心墻壩和斜墻壩心墻壩和斜墻壩的土質(zhì)心墻和斜墻與壩基內(nèi)設(shè)置的全封閉防滲體系，其連接形式較為簡便，心墻和斜墻壩對覆蓋層的厚度要求不高。這種壩型不僅適宜于建低壩，也適宜于建高壩。碾壓技術(shù)的進(jìn)步和防滲體材料選擇的多樣性在高心墻壩修建中占據(jù)重要經(jīng)濟(jì)效益。依據(jù)以往工程經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，心墻的坡度超過1:0.5時，邊坡抗滑穩(wěn)定性減弱，需嚴(yán)格控制壩坡坡比。相比于壩殼料的低壓縮性，心墻土料的這一特性易產(chǎn)生拱效應(yīng)，造成水體破碎力學(xué)現(xiàn)象，危害大壩耐久性。斜墻壩上游壩坡通常坡比數(shù)值很小，延長壩體的施工進(jìn)度，施工干擾大，受氣候條件的影響也大。沉降變形也是斜墻壩極易受影響的原因之一，若遇到陡峭河岸，會使連接方式改變，故高壩中相比于心墻壩，斜墻壩運用條件更嚴(yán)格。故不推薦斜墻壩作為本次工程的壩型。1.1.3非土質(zhì)防滲體壩非土質(zhì)材料防滲體壩包括混凝土面板堆石壩、瀝青混凝土面板和心墻壩、土工膜斜墻和心墻壩。本次設(shè)計綜合考慮各因素后不進(jìn)行面板壩壩型的比較。瀝青混凝土直心墻壩具有防滲面積小，施工簡單等優(yōu)點。采用斜心墻壩傾向下游布置時，防滲面積有所增加，施工控制難度大，瀝青混凝土心墻中產(chǎn)生明顯的橫截面相對錯動易發(fā)生于壩體變形沉積過程中，因而不建議修建斜心墻壩。根據(jù)瀝青砼心墻的計算成果和已建工程的監(jiān)測資料分析表明，直心墻運行良好。瀝青砼心墻土石壩對各種地形地質(zhì)條件適配良好，河谷不對稱、滲漏及人工開挖高邊坡等復(fù)雜區(qū)位也能修建，巖體力學(xué)指標(biāo)不需要滿足嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)。以瀝青混凝土作為防滲體材料，可以起到有效防滲作用，發(fā)生自身變形也可有效恢復(fù)，對地質(zhì)條件的適應(yīng)性較好。而且考慮到壩區(qū)附近充分的天然建筑材料場地條件，技術(shù)指標(biāo)可基本滿足各分區(qū)料的使用。本設(shè)計選用瀝青混凝土心墻堆石壩。1.2基本剖面設(shè)計1.2.1壩頂高程超高的定義為水庫凈水位與壩頂或至防浪墻頂?shù)母叱滩钪担瑝雾敵叩倪x取應(yīng)使波浪與壩頂預(yù)留一定余地，壩頂超高可由式（1.1）計算求得。土石壩的壩頂高程決定要考慮三部分，分別計算四種工況：正常蓄水位情況下的正常運用條件，設(shè)計洪水位情況下的正常運用條件，校核洪水位情況的非常運用條件，正常蓄水位加地震情況下的非常運用條件，在四個計算結(jié)果中選取保障安全性能的最大值。壩頂在靜水位上的超高按下式計算y=R+e+A（1.1）式中：y-壩頂超高，m；R-最大波浪在壩坡上的爬高，m；e-最大風(fēng)壅水面高度，m；A-安全加高，對于1級土石壩，正常運用條件的安全加高取1.5m，非常運用條件的安全加高取0.7m。具體計算公式如下：波浪的平均波高和平均波周期采用官廳公式計算g?W2=0.0076gLmW式中：h-平均波高，m；W-計算風(fēng)速，m/s；D-風(fēng)區(qū)長度，10km；g-重力加速度，m2/s。由資料查得壩區(qū)多年平均最大風(fēng)速：6.3m/s，吹程10km。由規(guī)范DL5180-2003，本工程屬于山區(qū)丘陵區(qū)，采用官廳水庫計算公式求出波浪爬高。正常運用條件下，對于1級土石壩，計算風(fēng)速采用多年平均最大風(fēng)速的1.5倍；非常運用條件下計算風(fēng)速不使用倍乘風(fēng)速。對于深水波，即當(dāng)H≥0.5LmLm=g式中：LmH-壩迎水面前水深，m。風(fēng)壅高度可按下式計算e=KW2式中：K-綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10Hm-水域平均水深，m；β-計算風(fēng)向與壩軸線法線的夾角，由地形圖得β為0°。波浪爬高可按下式計算：Rm=K式中：Rm-平均波浪爬高，m；m-單坡坡度系數(shù)，等于cotα；KΔ-斜坡的糙率滲透性系數(shù)，查表得砌石取值（0.75-0.80），計算取0.80；Kw-經(jīng)驗系數(shù)，查表得Kw=1.00。各種工況下的壩頂高程計算結(jié)果如下表所示：項目正常運用非常運用正常蓄水位設(shè)計洪水位校核洪水位正常+地震水位(m)870871.01873.02870設(shè)計風(fēng)速(m/s)9.459.456.36.3平均水深(m)6566.0168.0265安全加高(m)1.51.50.70.7波浪爬高(m)2.352.351.511.51風(fēng)壅高度0.0060.0060.0020.003地震安全加高(m)0.5壩頂超高(m)3.863.862.212.21壩頂高程(m)873.86874.87871.23872.21表1.SEQ表\*ARABIC\s11各種工況下壩頂高程表故將壩頂高程定為876m。1.2.2壩頂寬度壩頂?shù)膶挾扰c反濾層、過濾層及心墻防滲體頂部布置對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān)，而可忽略壩體自身布置的選擇。對于本工程堆石壩設(shè)計，根據(jù)規(guī)范SL274-2001，對應(yīng)中高壩的壩寬建議取值，最終確定壩頂寬度為10m。壩體防護(hù)性能要求修筑碎石路面，本設(shè)計取路面厚度0.3m。由于壩頂設(shè)置防浪墻，集水溝需在下游沿壩軸線修造，尺寸為寬0.3m，深0.3m，可選擇混凝土澆筑。1.2.3壩坡及馬道土石壩邊坡坡比的取值應(yīng)考慮壩型、壩高、筑壩材料、荷載、壩址條件等因素，且直接影響到壩體的穩(wěn)定和工程量大小。由于石料在飽和狀態(tài)下抗剪強度降低，且?guī)焖幌陆禃r，滲流力指向上游，對上游壩坡穩(wěn)定不利，所以土料相同時，上游坡應(yīng)比下游坡為緩。從壩型上看，上游壩坡較下游為緩；從荷載情況上，為適應(yīng)荷載向底部逐漸增加的特征，壩坡上陡下緩，故土石壩上、下游坡一般做成變坡時，由上至下逐漸放緩，相鄰壩坡率差為0.25~0.5,若壩基較弱時，最后一級壩坡宜緩以利于壩坡穩(wěn)定。上下游壩殼采用堆石填筑，心墻采用瀝青混凝土填筑，選取上游壩坡坡率為1：1.5，下游壩坡坡率1：1.4。根據(jù)下文《壩坡穩(wěn)定計算》的成果，正常運用情況、非常運用工況Ⅰ和非常運用工況Ⅱ（地震工況）時所計算的邊坡穩(wěn)定結(jié)果都滿足規(guī)范要求的各工況下所允許的安全系數(shù)數(shù)值，且留有一定的裕度。但是考慮到穩(wěn)定計算斷面不是最大剖面，為了使大壩整體抗滑能力較強，穩(wěn)定性更好，認(rèn)為壩坡坡率的取值比較合理。依據(jù)過往工程經(jīng)驗，下游常沿高程每隔10~30m設(shè)置一條馬道。本次設(shè)計從壩頂開始每隔一定高程修建馬道，共設(shè)置2道馬道，分別位于851m、826m高程處，馬道寬度為2m，以滿足寬度不小于1.5m的要求。1.2.4防滲體心墻本設(shè)計采用瀝青混凝土防滲體，它是有一定級配的碎石或卵石、沙、石料和瀝青按一定比例配合混合物，經(jīng)攤鋪、碾壓達(dá)到一定密度的變形防滲體。防滲體心墻頂部與正常庫水位的高程差在正常運用情況下應(yīng)為0.3~0.6m，在非常運用情況不應(yīng)低于該工況下的靜水位，并核算風(fēng)浪爬高，以防風(fēng)浪形成的壅水通過防滲體頂部滲向下游。當(dāng)防滲體頂部設(shè)有穩(wěn)定、堅固、不透水且與防滲體緊密連接的防浪墻時，可適當(dāng)下調(diào)對防滲體頂部高程的要求。本設(shè)計中，心墻頂部高程設(shè)計為875m，基于使心墻與防浪墻緊密結(jié)合的施工形式。根據(jù)實際工程經(jīng)驗及規(guī)范SL501-2010，以瀝青混凝土為防滲體材料時，心墻頂部寬度應(yīng)大于0.5m，本設(shè)計取0.6m，心墻底部厚度為壩高的1/110~1/70，本設(shè)計取1.2m，心墻邊坡坡率為1：0.008。根據(jù)下文《滲流計算》的結(jié)果，正常、設(shè)計、校核工況下心墻內(nèi)的滲透坡降均小于心墻允許滲透坡降，因此認(rèn)為心墻厚度的設(shè)計比較合理。心墻頂部應(yīng)設(shè)保護(hù)層，防止冰凍和干裂。保護(hù)層可采用砂、砂礫或碎石，其厚度不小于該地區(qū)的凍深或干燥深度，混凝土心墻不小于1m，此處取砂礫石保護(hù)層2m。1.2.5護(hù)坡對于堆石壩上游的斜坡，其易發(fā)生被冰與懸浮物碰撞損壞的情況，土體有受波浪沖蝕的風(fēng)險；對于下游的斜坡，極易因雨水、強風(fēng)、海浪、水域的凍脹和裂縫而損壞。所以，有必要在壩體的上下游壩面修建保護(hù)層。上游護(hù)坡的常用型式為干砌石、漿砌石或堆石?？紤]實際壩址處的周邊環(huán)境，護(hù)坡修建長度與壩頂防浪墻緊密相連，并完全覆蓋至壩體邊緣及正常死水位以下地段，取厚度為0.5m，以干砌石為護(hù)坡填料。并輔以0.3m~0.6m的碎石墊層，本設(shè)計采用0.3m。土石壩下游壩面對護(hù)坡的要求相較于上游有所放寬。護(hù)坡的覆蓋范圍應(yīng)擴(kuò)展到大壩下游面和壩基間的接觸線?？紤]壩址附件石料豐富，基于干砌石、碎石或礫石等常用填筑料的經(jīng)驗，本工程在下游設(shè)厚度為0.5m的干砌石護(hù)坡，下部碎石墊層同上游坡面，鋪設(shè)厚度為0.3m。1.2.6排水排水型式的選擇必須結(jié)合壩基排水的需要及型式，根據(jù)下列情況經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定：壩型、壩體填土的滲透性能、輔助設(shè)施材料的運用、以及壩基的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件；下游有水無水；壩區(qū)氣候條件。（1）壩頂排水壩頂面以接近水平又與水平面有極小坡度的布置方式，向下游側(cè)傾斜，達(dá)到防止雨水堆積的目的。路肩石底部每隔100m設(shè)直徑6cm的排水孔。（2）壩面排水在下游壩坡設(shè)置縱向排水溝?？v向排水溝（與壩軸線平行）設(shè)在各級馬道內(nèi)側(cè)。壩體與岸坡連接處應(yīng)設(shè)置排水溝，以排除岸坡上游下來的雨水。（3）壩內(nèi)排水壩體排水有以下幾種型式：壩體內(nèi)排水，有豎式排水、水平排水兩種形式；棱體排水；貼坡式排水；綜合型排水。土壩下游有一定高的水位，不宜采用貼坡排水。褥墊排水伸入壩體內(nèi)部，降低浸潤線效果顯著，但是對地基的不均勻沉陷的適應(yīng)能力較差，本工程所在壩址處的壩基地質(zhì)條件不適合使用該方案。本工程中，壩址附近石料比較豐富，因此棱體排水作為壩內(nèi)排水型式。棱體排水指以塊石堆積的形式聚于下游壩腳處，根據(jù)規(guī)范規(guī)定：在棱體上游坡腳處銳角的產(chǎn)生較不適宜；棱體頂寬寬度應(yīng)根據(jù)檢查觀測需要及工程建設(shè)實施條件確定，不小于1.0m；頂部高程應(yīng)超過下游最高水位，也應(yīng)超過波浪沿坡面的爬高，1級、2級壩應(yīng)不小于1.0m；棱體內(nèi)坡根據(jù)施工條件確定，常用數(shù)值為1:1.0~1：1.5，外坡為1:1.5~1:2.0。本設(shè)計中取頂寬2.0m，內(nèi)坡坡比為1:1.5，外坡坡比為1:2.0。由于通過校核洪水時對應(yīng)的下游最高水位為814.22m，而棱體頂部高程根據(jù)規(guī)范規(guī)定須高出下游最高水位0.5m以上，故設(shè)計棱體高程取811.0m。設(shè)置的反濾層分別位于棱體與壩體堆石區(qū)的銜接處和棱體與河床基礎(chǔ)的銜接處。1.3土料設(shè)計筑壩材料的設(shè)計與土壩結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工方法以及工程造價有關(guān)，一般要求壩體內(nèi)材料分區(qū)簡單，就地、就近取材，因材設(shè)計。土石壩壩體主要由壩殼、防滲體、排水設(shè)備以及護(hù)坡等組成。由于需要綜合考慮各種工況下的填料適配性，因而產(chǎn)生不同的材料要求。圖示為主要壩料顆粒級配范圍。壩體壩基材料物理力學(xué)指標(biāo)見下表。圖1.1壩體填筑料顆粒級配曲線表1.2壩體壩基材料物理力學(xué)指標(biāo)土料名稱含沙礫粘質(zhì)土堆石料過渡料河槽沖積層天然含水量(%)17.6天然容重(t/m3)1.851.78比重G2.682.76流限WL(%)42.6塑限Wp(%)27.3塑性指數(shù)Wn(%)11.3顆粒組成（mm）礫>237.8砂2~0.0517.1粉粒0.5~0.00522.5粘粒<0.00523.1膠粒<0.00218干容重(t/m3)1.78最優(yōu)含水量(%)20孔隙比e0.55濕容重(t/m3)2.071.9322飽和容重(t/m3)2.132.232.182.18浮容重(t/m3)1.131.231.181.18滲透系數(shù)(cm/s)5×10-7飽和度Sr(%)82孔隙率(%)32壓縮系數(shù)(cm/kg)非浸水狀態(tài)0.01浸水狀態(tài)0.012抗剪強度非飽和快剪φ23.3C(kpa)6.1飽和固結(jié)慢剪φ23C(kpa)10.2飽和固結(jié)快剪φ20C(kpa)2.8其他φ383838C(kpa)2001.3.1壩殼的土石料選擇要求土石料作為壩殼填充料時應(yīng)滿足：土石料應(yīng)有較好的透水性，以減小壩體內(nèi)力；具有較強的抗剪強度；應(yīng)滿足適宜的土料各級粒徑分配，不均勻系數(shù)不能過小，以減小壩體工程量；具有一定抗?jié)B穩(wěn)定性，謹(jǐn)防土體細(xì)顆粒因水體流速增大而被沖刷帶走的危險情況；應(yīng)有較好的抗震穩(wěn)定性，遇震時使飽水的細(xì)砂土在震動作用下突然破壞而呈現(xiàn)液態(tài)的不利影響應(yīng)盡量避免?；谝陨峡紤]要求，壩殼材料采用堆石料。1.3.2防滲體填料的選擇要求碾壓式瀝青混凝土心墻壩對瀝青混凝土的基本要求是具有良好的防滲、適應(yīng)變形和耐久性能。由于瀝青混凝土材料的特殊性，適應(yīng)變形的能力也優(yōu)于土石料。碾壓式瀝青混凝土可選用道路石油瀝青。水工瀝青砼的各項技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足規(guī)范（SL501-2010）所規(guī)定的要求。該種材料所用石油瀝青的品種和標(biāo)號應(yīng)根據(jù)工程類別、結(jié)構(gòu)性能要求、當(dāng)?shù)貧鉁亍⑦\用條件和施工要求等進(jìn)行選擇。粗骨料宜采用破碎的非酸性巖石；粗骨料用量的50%以下應(yīng)是未碎裂化的卵石料的取用范圍。粗骨料最大粒徑不大于19mm，級配指數(shù)為0.35~0.44。粗骨料應(yīng)質(zhì)地簇新、牢固，遇熱仍保持原有狀態(tài)。細(xì)骨料可選用人工砂、天然砂等，砂石加工剩下的碎料也可利用。心墻填料可采用石灰?guī)r粉、白云巖粉，不含有機(jī)質(zhì)及泥土，也可