【文章內(nèi)容簡介】 水建筑物（壩外溢洪道或溢流壩）設(shè)計 ①進行結(jié)構(gòu)型式與輪廓尺寸，進行總體布置；②擬定細部構(gòu)造；③進行必要的水力、靜力計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計。 施工導流 方案設(shè)計 。 工程量 計算 。 四、本設(shè)計國內(nèi)外發(fā)展狀況和發(fā)展趨勢 工程特點 工程 優(yōu)點 （ 1）壩體由土質(zhì)或瀝青混凝土防滲體及若干透水性不同的土料分區(qū)所構(gòu)成，筑壩材料就地取材，可節(jié)省大量鋼材、水泥、木材等建筑材料； （ 2）適應地基變形能力強。其散粒體結(jié)構(gòu)能較好地適應地基的變形； （ 3）施工方法選擇靈活性大。能適應不同的施工方法，從簡單的人工填筑到高度機械化施工都可以 。且工序簡單 、施工速度快，質(zhì)量也易保證； （ 4）結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、運行管理方便、工作可靠，便于維修加高 [2]。 工程 缺點 （ 1）心墻土料與壩殼透水料平起，在氣候?qū)ν亮鲜┕げ焕那闆r下不能像斜墻壩那樣先填壩殼爭取工期； （ 2）心墻位于壩體中心檢修不便； 在多泥沙河道上，土質(zhì)心墻不能直接與水庫淤土連接，無法利用水庫淤土，作為透水壩基的防滲鋪蓋。雖然也可以再上游壩殼底部設(shè)置土質(zhì)鋪蓋，以解決土質(zhì)心墻與水庫淤土的連接問題，但土質(zhì)鋪蓋抗剪強度比壩殼透水料低，成為上游壩殼抗滑的軟弱部位，使上游壩坡需設(shè)計的緩些 [3]。 工程工作特點 土石壩是利用當?shù)赝?、石材料建造的一種壩型，主要是由散粒土料填筑而成的擋水建筑物。由于土粒間凝聚力較低，在滲流、沖刷、沉降、冰凍、地震等因素的影響下，表現(xiàn)出相應的工作特點： （ 1）穩(wěn)定。士壩的斷面形狀為梯形，斷面比較大，在水平荷載作用下，不會發(fā)生沿壩基面的整體滑動。 （ 2）滲流。土壩擋水后，庫水將通過壩身、壩基及兩岸向下游滲透，在壩身和壩基的結(jié)合面及壩和其他建筑物的結(jié)合面更是滲流易于通過而產(chǎn)生集中滲流的地方。 （ 3）沖刷。由于壩體土料級俺的凝聚力很小，因此抗沖能力低。 （ 4）沉降。由于土粒 間存在孔隙，且很容易產(chǎn)生相對移動，因此在壩體自重和土壓力影響下，壩體和壩基都會由于壓縮而產(chǎn)生沉降。 （ 5）其他。嚴寒地區(qū)，冬季水庫水面結(jié)冰形成冰蓋，冰蓋層的膨脹對壩坡產(chǎn)生很大的冰推力，導致護坡破壞；位于水位以上的壩體粘性土壤，在冰融作用下會形成孔穴、裂縫 [4]。 基本組成 土石壩主要由四部分組成，即壩殼、防滲體、排水設(shè)備和護坡組成。壩殼是土石壩的柱體，壩的穩(wěn)定主要靠它來維持；防滲體的作用是降低浸潤線，防止?jié)B透破壞壩體和減少滲流量；排水設(shè)備的主要作用是要全地排除滲漏水，增加壩體和下游壩坡的穩(wěn)定性，降低 揚壓力；護坡的作用是防止波浪、冰層、溫度變化、雨水和水流等對壩坡的破壞。 穩(wěn)定 計算目的 壩坡穩(wěn)定計算是為了保證土石壩在自重，各種情況下的孔隙壓力和一些外荷載（如水壓力和地震力等）作用下具有足夠的穩(wěn)定性，不至于產(chǎn)生通過壩體或壩體和地基的整體剪切破壞。針對擬定的壩體斷面布置，所采用的筑壩材料和采用的各種物理力學性指標如密度和抗剪強度等。在完成滲流計算的基礎(chǔ)上，進行壩坡穩(wěn)定計算，以確定上下游壩坡，保證大壩安全運行。 穩(wěn)定 計算 分期 （ 1）施工期（包括竣工期）：壩體逐漸填高直至竣工， 在填土自重作用下，土料空隙中氣體壓縮，產(chǎn)生孔隙壓力，對壩坡穩(wěn)定不利，應核算上下游壩坡穩(wěn)定。 （ 2）穩(wěn)定滲流期：土石壩投入正常運行，壩體形成穩(wěn)定滲流，在高水位時庫水壓力對上游壩坡穩(wěn)定有利，一般僅核算下游壩坡穩(wěn)定，但當庫水位在高水位以下的某一不利水位時，尚需核算上游坡穩(wěn)定。 （ 3）水庫水位降落期：運行時，庫水位降落，往往對上游壩坡穩(wěn)定不利，需要核 算。 計算 方法 目前土石壩 壩 坡穩(wěn)定分析的方法主要有剛 體極限 平衡法和有限元法。 （ 1）極限平衡法 (瑞典圓弧滑動法、畢肖普法、不平衡推力法 ) 不考慮土條之間的作用 力 , 假定土體是理想塑性材料 ,將土體作為一個剛體 , 按照極限平衡的原則進行分析 ,最大不同之處在于對相鄰土條之間的內(nèi)力做何種假定。由于極限平衡法不考慮土體本身的應力 ～ 應變關(guān)系 ,不能反映邊坡失穩(wěn)時的應力場和位移場 , 因此受到質(zhì)疑。 （ 2） 有限元分析法的基本原理有限元分析法考慮土體應力 ～ 應變關(guān)系 , 克服了極限平衡方法完全不考慮土體本身的應力～應變關(guān)系的缺點 ,計算邊坡穩(wěn)定時采用有限元強度折減法 , 為邊坡穩(wěn)定分析提供了較為正確和深入的概念。 （ 3） 有限元強度折減法的基本原理。有限元強度折減法 (以下簡稱有限 元法 ) 的基本原理是將坡體強度參數(shù)粘聚力 c 和內(nèi)摩擦角值同時除以一個折減系數(shù) F ,得到一組新的 C1 ,φ 1 值 ,然后將 C1 1作為新的計算參數(shù)輸入 , 再進行試算 ,當計算不收斂時 ,對應的 F 被稱為坡體的最小穩(wěn)定安全系數(shù) ,此時坡體達到極限狀態(tài) , 發(fā)生剪切破壞 , 同時可以得到坡體的破壞滑動面。在 MohrCoulomb 屈服準則中引入剪脹角為了克服在應用有限元強度折減法求解安全系數(shù)對材料處理上的不足 ,更好地考慮巖土材料的剪脹性對計算結(jié)果的影響 ,使用如下的方法引入?yún)?shù) [6,9]。 滲流 滲流 計算 目的和內(nèi)容 目的：滲流計算是為了確定經(jīng)濟可靠的壩型、合理的結(jié)構(gòu)尺寸以及適宜的防滲和排水設(shè)施。 內(nèi)容：（ 1）確定壩體浸潤線，壩體及壩基等勢線或流網(wǎng)圖，供壩體穩(wěn)定計算或選定排水設(shè)備用；（ 2）確定壩體或壩基滲流量，用以估算水庫滲漏量；（ 3）確定壩坡及壩基滲透比降，以判斷其滲透穩(wěn)定性。 滲流計算方法 （ 1）公式計算法：各種不同情況通過不同經(jīng)驗公式進行計算 （ 2）數(shù)值解法：目前利用電子計算機，通過有線單元解決土石壩各種滲流問題已 得到廣泛運用。 （ 3）繪制流網(wǎng)：當?shù)貙硬惶珡碗s的情況下，可以采用 手繪流網(wǎng)辦法來求解眾多的平面滲流問題。該法簡便易行，通過試畫或不斷修正，繪得流網(wǎng)，能適應各種邊界條件、滿足設(shè)計精度要求，只要對滲流特性有所理解，通過短時實踐，會很快熟悉掌握，不失為解決滲流問題的良好辦法。 （ 4）模擬試驗：模擬試驗法主要有連續(xù)介質(zhì)的水電比擬法和將滲流場離散開來逐點求解的電阻網(wǎng)模擬法。前者可解決非均質(zhì)和各項異性問題，但對于大型的復雜滲流場求解有一定困難。大型電阻網(wǎng)模擬使用方便，精度較高，多用于解決空間滲流試驗。這兩種方法都在滲流分析中發(fā)揮了較大作用 [6]。 應力計算方法 土石壩如果是均 質(zhì)的，只要回答壩坡是否穩(wěn)定，可不必分析其應力變形。然而，高土石壩往往都不是均質(zhì)的，這不僅因為山區(qū)難以提供大體積的防滲黏性土，而且大體積黏性土孔隙水壓力消散慢，不利于壩坡的穩(wěn)定。高土石壩的合理壩型主要有面板堆石壩和土質(zhì)心墻壩兩種。不太高的壩，心墻材料也可用瀝青混凝土；特殊情況還可用混凝土，如三峽圍堰。土石壩的地基覆蓋層較厚不能挖除時，要用混凝土防滲墻防滲。高土石壩之所以要分析應力變形，實際上是要分析防滲結(jié)構(gòu) —— 混凝土面板、混凝土防滲墻、土質(zhì)心墻的應力變形，看這些防滲結(jié)構(gòu)是否會破壞。而防滲體是由土石料支撐的，支 撐體的變形大，防滲體也就跟著產(chǎn)生大的變形，導致破壞。因此要將土石壩作為整體來分析應力變形。 土質(zhì)心墻壩中泊松比也會影響到心墻壩是否會發(fā)生水力劈裂。設(shè)想如果心墻料的泊松比為 0，這意味著在上部壩體重力作用下盡管心墻的豎向應力增加，且有壓縮；但不對側(cè)向土產(chǎn)生擠壓，側(cè)向應力就可能小于墻前水壓力，從而導致發(fā)生水力劈裂。反之，如果心墻料的泊松比為 ，向水一樣。側(cè)壓力系數(shù)將等于 。豎向應力產(chǎn)生多大增量，側(cè)壓力也產(chǎn)生相同的增量。那么，在重力作用下就相當大，蓄水時就不會小于墻前水壓力。也就是說，抗水力劈裂的能力很強。 可見，泊松比由小變大，水力劈裂的危險性是降低的。 應力變形計算宜采用非線性彈性應力應變關(guān)系分析，也可采用彈塑性應力應變關(guān)系進行分析。對于粘性土的壩體和壩基宜考慮固結(jié)對壩體應力和變形的影響 [6,7,10]。 施工 碾壓式土石壩的施工包括：準備作業(yè)、基本作業(yè)、輔助作業(yè)和附加作業(yè)： （ 1）準備作業(yè)包括：平整場地、通車、通水、通電，架設(shè)通信線路，修建生產(chǎn)生活，行政辦公用房以及排水清基等項工作 （ 2）基本作業(yè)包括：料場土石料開 采，挖、裝、運、卸以及壩面鋪平、壓實、質(zhì)檢等項作業(yè) （ 3）輔助作業(yè)是保證準備及基本作業(yè)順利進行，創(chuàng)造良好工作條件的作業(yè)，包括清除施工場地及料場覆蓋，從上壩土料中剔除超徑石塊、雜物，壩面排水、層間刨毛和加水等。 （ 4）附加作業(yè)：附加作業(yè)時保證壩體長期安全運行的防護及修整工作，包括壩坡修整，鋪砌湖面塊石及鋪植草皮等 [5]。 該類工程的應用、發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢 土石壩是一種充分利用壩址附近的土、石料等建造而成的壩型，是歷史最為悠久的一種壩型。其特點是可以就地、就近取材，以節(jié)省大量的水泥、木材和鋼材，減少工 地的外線運輸量 。能適應各種不同的地形、地質(zhì)和氣候條件，對于任何不良的壩址地基，經(jīng)處理后均可筑壩，特別是在氣候惡劣、工程地質(zhì)條件復雜和高烈度地震區(qū)的情況下，土石壩實際上是唯一可取的壩型 。隨著大型高效施工機械的廣泛采用，使得施工人數(shù)大大減少，施工工期不斷縮短，施工費用顯著降低，施工條件日益改善，同時提高了土石壩的施工質(zhì)量，促進了高土石壩建設(shè)的發(fā)展 。由于巖土力學理論、試驗方法和計算技術(shù)的發(fā)展，提高了大壩分析計算的水平，加快了設(shè)計進度，進一步保障了大壩設(shè)計的安全可靠性 。高邊坡、地下工程結(jié)構(gòu)、高速水流消能防沖等土石壩 配套設(shè)計工程和施工技術(shù)的綜合發(fā)展，也對土石壩的建設(shè)和推廣起了重要的促進作用。上述各種因素和土石壩本身的特點使得土石壩成為在世界壩工建設(shè)中發(fā)展最快和應用最為廣泛的一種壩型”。 土石壩大致可以分為均質(zhì)壩、分區(qū)壩和防滲面板壩三類。均質(zhì)壩是相對分區(qū)壩而言，系指壩體絕大部分都是由相同性質(zhì)的材料組成，以壩體的全斷面起穩(wěn)定和防滲作用的壩型，一般來說，均質(zhì)壩都是中型以下的壩，該壩型適合修建在壩址附近能開采到大量不透水土料的情況，與其他型式的土石壩相比，甚至在軟弱地基上也可以修建 。分區(qū)壩系指 由防滲區(qū)及幾個不同滲透特性的區(qū)域組 成的壩型，可根據(jù)防滲體的型 .式和布置位置的不同，進一步劃分為薄斜防滲墻型壩 (斜心墻壩 )，薄中央防滲墻型壩 (心墻壩 )和厚防滲墻型壩，但不管是哪一種壩型，為避免滲透系數(shù)和材料級配的突變，都要以防滲體為中心，向上下游方向順次設(shè)置反濾層和過渡層。分區(qū)壩因其可以根據(jù)壩址地形、地質(zhì)及可能獲得的筑壩材料做出最優(yōu)設(shè)計，所以適用范圍最廣，大部分大型土石壩都屬于這種壩型 。防滲面板壩系指在壩體的上游面具有用瀝青混凝土、鋼筋混凝土及其它人工或天然材料筑成防滲板的壩型。近年來，還建造了一些將瀝青混凝土防滲墻布置于壩體中央的瀝青心墻壩 。 土石壩工程施工簡便、地質(zhì)條件要求低、造價便宜，并可就地取材且料源豐富， 因此是水利水電工程中極為重要的一種壩型。土石壩工程的建設(shè)歷史久遠，并經(jīng)久不衰，隨著科學技術(shù)的進步，今天的土石壩工程涵蓋了土料防滲、混凝土面板防滲、瀝青混凝土防滲、土工膜防滲等類型。我國各地氣候，地質(zhì)和經(jīng)濟等條件存在巨大差異，因而土石壩工程在不同地區(qū)的建設(shè)中所遇到的技術(shù)問題也大不相同。對這些問題在逐步改進施工工藝采取有針對性措施的同時，還應結(jié)合當?shù)厍闆r研究使用新材料、新結(jié)構(gòu)，很好地吸收國內(nèi)外多方面實踐經(jīng)驗和教訓，在理論上深入開展有益的 科研工作和探索。目前，土石壩工程建設(shè)水平和技術(shù)不斷提高和發(fā)展，特別是 20 世紀 90 年代以來，隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，水利水電工程建設(shè)突飛猛進，土石壩壩高開始向 300 米級高度研發(fā)和建設(shè)。筑壩技術(shù)難題的攻克，使我國積累了大量的工程建設(shè)經(jīng)驗，并在理論上有所突破 [3,8]。 主要參考文獻 [1] 林繼鏞 .水工建筑物 [M].北京：中國水利水電出版社， 2021. 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