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正文內(nèi)容

水利水電工程-金家壩水利樞紐設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2025-01-11 03:43 本頁(yè)面
 

【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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