【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 水建筑物（壩外溢洪道或溢流壩）設(shè)計(jì) ①進(jìn)行結(jié)構(gòu)型式與輪廓尺寸，進(jìn)行總體布置；②擬定細(xì)部構(gòu)造；③進(jìn)行必要的水力、靜力計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 施工導(dǎo)流 方案設(shè)計(jì) 。 工程量 計(jì)算 。 四、本設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢(shì) 工程特點(diǎn) 工程 優(yōu)點(diǎn) （ 1）壩體由土質(zhì)或?yàn)r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(yīng)地基變形能力強(qiáng)。其散粒體結(jié)構(gòu)能較好地適應(yīng)地基的變形； （ 3）施工方法選擇靈活性大。能適應(yīng)不同的施工方法，從簡(jiǎn)單的人工填筑到高度機(jī)械化施工都可以 。且工序簡(jiǎn)單 、施工速度快，質(zhì)量也易保證； （ 4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、運(yùn)行管理方便、工作可靠，便于維修加高 [2]。 工程 缺點(diǎn) （ 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(zhēng)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(kù)淤土連接，無(wú)法利用水庫(kù)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(kù)淤土的連接問(wèn)題，但土質(zhì)鋪蓋抗剪強(qiáng)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(jì)的緩些 [3]。 工程工作特點(diǎn) 土石壩是利用當(dāng)?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(yīng)的工作特點(diǎn)： （ 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(huì)發(fā)生沿壩基面的整體滑動(dòng)。 （ 2）滲流。土壩擋水后，庫(kù)水將通過(guò)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(guò)而產(chǎn)生集中滲流的地方。 （ 3）沖刷。由于壩體土料級(jí)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(duì)移動(dòng)，因此在壩體自重和土壓力影響下，壩體和壩基都會(huì)由于壓縮而產(chǎn)生沉降。 （ 5）其他。嚴(yán)寒地區(qū)，冬季水庫(kù)水面結(jié)冰形成冰蓋，冰蓋層的膨脹對(duì)壩坡產(chǎn)生很大的冰推力，導(dǎo)致護(hù)坡破壞；位于水位以上的壩體粘性土壤，在冰融作用下會(huì)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(hù)坡組成。壩殼是土石壩的柱體，壩的穩(wěn)定主要靠它來(lái)維持；防滲體的作用是降低浸潤(rùn)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(yáng)壓力；護(hù)坡的作用是防止波浪、冰層、溫度變化、雨水和水流等對(duì)壩坡的破壞。 穩(wěn)定 計(jì)算目的 壩坡穩(wěn)定計(jì)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(guò)壩體或壩體和地基的整體剪切破壞。針對(duì)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(xué)性指標(biāo)如密度和抗剪強(qiáng)度等。在完成滲流計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行壩坡穩(wěn)定計(jì)算，以確定上下游壩坡，保證大壩安全運(yùn)行。 穩(wěn)定 計(jì)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(duì)壩坡穩(wěn)定不利，應(yīng)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(yùn)行，壩體形成穩(wěn)定滲流，在高水位時(shí)庫(kù)水壓力對(duì)上游壩坡穩(wěn)定有利，一般僅核算下游壩坡穩(wěn)定，但當(dāng)庫(kù)水位在高水位以下的某一不利水位時(shí)，尚需核算上游坡穩(wěn)定。 （ 3）水庫(kù)水位降落期：運(yùn)行時(shí)，庫(kù)水位降落，往往對(duì)上游壩坡穩(wěn)定不利，需要核 算。 計(jì)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(dòng)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(gè)剛體 , 按照極限平衡的原則進(jìn)行分析 ,最大不同之處在于對(duì)相鄰?fù)翖l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(yīng)力 ～ 應(yīng)變關(guān)系 ,不能反映邊坡失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng) , 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(yīng)力 ～ 應(yīng)變關(guān)系 , 克服了極限平衡方法完全不考慮土體本身的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系的缺點(diǎn) ,計(jì)算邊坡穩(wěn)定時(shí)采用有限元強(qiáng)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(qiáng)度折減法的基本原理。有限元強(qiáng)度折減法 (以下簡(jiǎn)稱有限 元法 ) 的基本原理是將坡體強(qiáng)度參數(shù)粘聚力 c 和內(nèi)摩擦角值同時(shí)除以一個(gè)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(jì)算參數(shù)輸入 , 再進(jìn)行試算 ,當(dāng)計(jì)算不收斂時(shí) ,對(duì)應(yīng)的 F 被稱為坡體的最小穩(wěn)定安全系數(shù) ,此時(shí)坡體達(dá)到極限狀態(tài) , 發(fā)生剪切破壞 , 同時(shí)可以得到坡體的破壞滑動(dòng)面。在 MohrCoulomb 屈服準(zhǔn)則中引入剪脹角為了克服在應(yīng)用有限元強(qiáng)度折減法求解安全系數(shù)對(duì)材料處理上的不足 ,更好地考慮巖土材料的剪脹性對(duì)計(jì)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(jì)算 目的和內(nèi)容 目的：滲流計(jì)算是為了確定經(jīng)濟(jì)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(rùn)線，壩體及壩基等勢(shì)線或流網(wǎng)圖，供壩體穩(wěn)定計(jì)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(kù)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(jì)算方法 （ 1）公式計(jì)算法：各種不同情況通過(guò)不同經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算 （ 2）數(shù)值解法：目前利用電子計(jì)算機(jī)，通過(guò)有線單元解決土石壩各種滲流問(wèn)題已 得到廣泛運(yùn)用。 （ 3）繪制流網(wǎng)：當(dāng)?shù)貙硬惶珡?fù)雜的情況下，可以采用 手繪流網(wǎng)辦法來(lái)求解眾多的平面滲流問(wèn)題。該法簡(jiǎn)便易行，通過(guò)試畫或不斷修正，繪得流網(wǎng)，能適應(yīng)各種邊界條件、滿足設(shè)計(jì)精度要求，只要對(duì)滲流特性有所理解，通過(guò)短時(shí)實(shí)踐，會(huì)很快熟悉掌握，不失為解決滲流問(wèn)題的良好辦法。 （ 4）模擬試驗(yàn)：模擬試驗(yàn)法主要有連續(xù)介質(zhì)的水電比擬法和將滲流場(chǎng)離散開來(lái)逐點(diǎn)求解的電阻網(wǎng)模擬法。前者可解決非均質(zhì)和各項(xiàng)異性問(wèn)題，但對(duì)于大型的復(fù)雜滲流場(chǎng)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(yàn)。這兩種方法都在滲流分析中發(fā)揮了較大作用 [6]。 應(yīng)力計(jì)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(yīng)力變形。然而，高土石壩往往都不是均質(zhì)的，這不僅因?yàn)樯絽^(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(shí)，要用混凝土防滲墻防滲。高土石壩之所以要分析應(yīng)力變形，實(shí)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(yīng)力變形，看這些防滲結(jié)構(gòu)是否會(huì)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(dǎo)致破壞。因此要將土石壩作為整體來(lái)分析應(yīng)力變形。 土質(zhì)心墻壩中泊松比也會(huì)影響到心墻壩是否會(huì)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(yīng)力增加，且有壓縮；但不對(duì)側(cè)向土產(chǎn)生擠壓，側(cè)向應(yīng)力就可能小于墻前水壓力，從而導(dǎo)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(yīng)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(dāng)大，蓄水時(shí)就不會(huì)小于墻前水壓力。也就是說(shuō)，抗水力劈裂的能力很強(qiáng)。 可見，泊松比由小變大，水力劈裂的危險(xiǎn)性是降低的。 應(yīng)力變形計(jì)算宜采用非線性彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分析，也可采用彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行分析。對(duì)于粘性土的壩體和壩基宜考慮固結(jié)對(duì)壩體應(yīng)力和變形的影響 [6,7,10]。 施工 碾壓式土石壩的施工包括：準(zhǔn)備作業(yè)、基本作業(yè)、輔助作業(yè)和附加作業(yè)： （ 1）準(zhǔn)備作業(yè)包括：平整場(chǎng)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(xiàng)工作 （ 2）基本作業(yè)包括：料場(chǎng)土石料開 采，挖、裝、運(yùn)、卸以及壩面鋪平、壓實(shí)、質(zhì)檢等項(xiàng)作業(yè) （ 3）輔助作業(yè)是保證準(zhǔn)備及基本作業(yè)順利進(jìn)行，創(chuàng)造良好工作條件的作業(yè)，包括清除施工場(chǎng)地及料場(chǎng)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(shí)保證壩體長(zhǎng)期安全運(yùn)行的防護(hù)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(yīng)用、發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì) 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(diǎn)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(yùn)輸量 。能適應(yīng)各種不同的地形、地質(zhì)和氣候條件，對(duì)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(fù)雜和高烈度地震區(qū)的情況下，土石壩實(shí)際上是唯一可取的壩型 。隨著大型高效施工機(jī)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(fèi)用顯著降低，施工條件日益改善，同時(shí)提高了土石壩的施工質(zhì)量，促進(jìn)了高土石壩建設(shè)的發(fā)展 。由于巖土力學(xué)理論、試驗(yàn)方法和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，提高了大壩分析計(jì)算的水平，加快了設(shè)計(jì)進(jìn)度，進(jìn)一步保障了大壩設(shè)計(jì)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(jì)工程和施工技術(shù)的綜合發(fā)展，也對(duì)土石壩的建設(shè)和推廣起了重要的促進(jìn)作用。上述各種因素和土石壩本身的特點(diǎn)使得土石壩成為在世界壩工建設(shè)中發(fā)展最快和應(yīng)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(duì)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(lái)說(shuō)，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(gè)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(jìn)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(jí)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(guò)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(jì)，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(lái)，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(jiǎn)便、地質(zhì)條件要求低、造價(jià)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(yuǎn)，并經(jīng)久不衰，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(guó)各地氣候，地質(zhì)和經(jīng)濟(jì)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(wèn)題也大不相同。對(duì)這些問(wèn)題在逐步改進(jìn)施工工藝采取有針對(duì)性措施的同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r研究使用新材料、新結(jié)構(gòu)，很好地吸收國(guó)內(nèi)外多方面實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，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(jì) 90 年代以來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水利水電工程建設(shè)突飛猛進(jìn)，土石壩壩高開始向 300 米級(jí)高度研發(fā)和建設(shè)。筑壩技術(shù)難題的攻克，使我國(guó)積累了大量的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，并在理論上有所突破 [3,8]。 主要參考文獻(xiàn) [1] 林繼鏞 .水工建筑物 [M].北京：中國(guó)水利水電出版社， 2021. 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