堆石坝

摘要以无凝聚性的能够自由排水的砂砾石、山麓堆积料或人工开采的石块为主要筑坝材料所堆筑的坝,统称为堆石坝。 堆石坝类型 堆石坝按防渗体类型划分,可分为土质防渗体堆石坝和非土质防渗体堆石坝两大类。其中,土质防渗体堆石坝又可分为心墙堆石坝、斜心墙堆石坝和斜墙堆石坝;非土质防渗体堆石坝又可分...

堆石坝

以无凝聚性的能够自由排水的砂砾石、山麓堆积料或人工开采的石块为主要筑坝材料所堆筑的坝,统称为堆石坝。

堆石坝类型

堆石坝按防渗体类型划分,可分为土质防渗体堆石坝和非土质防渗体堆石坝两大类。其中,土质防渗体堆石坝又可分为心墙堆石坝、斜心墙堆石坝和斜墙堆石坝;非土质防渗体堆石坝又可分为混凝土面板堆石坝、沥青混凝土面板堆石坝、沥青混凝土心墙堆石坝和土工膜防渗堆石坝。

堆石坝构造

满足渗透稳定和抗滑稳定要求的基本剖面确定后,即可进行坝体的构造设计。坝体构造主要包括:防渗体、护坡、坝顶等几个部位。

一、防渗体

(一)土质防渗体

在堆石坝中,土质防渗体是应用最为广泛的防渗结构。对土质防渗体来说,其尺寸应能满足防渗、构造、施工和防裂等方面的要求。

土质防渗体的渗透系数相对于堆石坝体来说,一般小3~4个数量级,一般要求小于10-6cm/s,它的作用是控制坝体内浸润线的位置,并保持渗流稳定。

土质防渗体的主要结构型式为心墙和斜墙。心墙和斜墙的断面尺寸,决定于土料的容许渗透坡降、塑性、抗裂性能。在设计中通常采用平均容许渗透坡降作为控制标准,它等于最大作用水头与防渗体厚度的比值,是一个半经验性的数据。土质防渗体顶部的水平宽度不宜小于3.0m;底部厚度,斜墙不宜小于水头的1/5,心墙不宜小于水头的1/4。

(二)非土质防渗体

非土质防渗体有钢筋混凝土面板、钢筋混凝土心墙、沥青混凝土心墙、沥青混凝土面板、土工织物,等等。

二、护坡

混凝土面板堆石坝和沥青混凝土面板堆石坝不存在上游面护坡问题。对于其他防渗结构的堆石坝,从坝顶至最低水位时波谷点以下2.5~3.0m的范围内应予保护;下游坝坡如为粒径较小的材料,如砂砾石等,则应加以保护,如为粒径较大的材料,则不需设堆石护坡,但如果下游面因其他原因遭受冲刷,则也应根据实际情况选择保护措施。

常用的护坡有抛石、砌石、混凝土板或混凝土楔形体等,也可采用堆石材料中的粗颗粒料或超径石做护坡。由于抛石护坡消波能力强,抗漂木冲击力强,不受坝体不均匀沉陷和温度影响,取材方便,是最经济有效的方式。

三、面板坝的趾板、面板及接缝止水

(一)趾板

布置在面板周边、座落于地基上的混凝土结构,也称为垫座。趾板通过设有止水的周边缝与面板连为一体,形成坝基以上的防渗体,同时又与经过基础灌浆处理后的基岩连结,封闭地面以下的渗漏通道,从而使上、下防渗结构连为整体。其主要作用除防渗外,还作为基础灌浆的盖板和面板浇筑的起始工作面。

趾板要求坐落在坚硬、不冲蚀和可灌浆的基岩上,或经工程措施处理后的稳定基岩上。趾板基准线布置要尽量平顺,避开断裂发育、风化强烈、夹泥以及岩溶等不利的地质结构,尽可能减少开挖和基础处理工程量。趾板定线可分两期进行,一期在地形、地质测绘的基础上进行初期开挖定线,二期根据初期开挖后的地质条件,完成最终定线。

(二)混凝土面板

混凝土面板有整体式、分离式和条块式等几种。

很早以前的低坝曾用过整体式面板,现在已不再使用。在使用滑模浇筑面板以后,基本上都是条块式的,即用垂直缝将面板分为若干条块,从底部开始一次或分期浇筑到坝顶,在分期浇筑的面板之间设水平施工缝。面板条块的宽度一般为12~18m。

面板的浇筑长度视施工分期需要及提前蓄水要求而定。一般中低坝可一次浇筑到顶。较长的面板分期浇筑可以缩短一次浇筑长度,减小基础约束和温度干缩应力,有利于防止裂缝。高坝因条块斜长过大,一次浇筑有困难,且有度汛和提前蓄水受益要求,可以分二期、三期甚至四期浇筑。两期面板间的水平缝按施工缝处理。

(三)接缝止水

面板坝的接缝按位置和作用可分为周边缝、面板垂直缝、趾板伸缩缝、面板与防浪墙水平缝、防浪墙伸缩缝以及施工缝等。这些接缝是防渗系统中的薄弱环节,特别是周边缝,要承担较大的三向变位和很大的水压力,最易发生止水失效和大量渗漏等问题,被认为是面板坝的关键技术问题之一。目前已研究开发了许多接缝止水的新型式和新材料,并进行了大规模的仿真试验,取得了可靠的防渗效果。

堆石坝发展史

堆石坝的历史没有土坝悠久,一般认为堆石坝于1870年最早出现在美国西部,与当时美国西部的采矿和淘金业发展有关:那里对外交通不便,但水力淘金的矿山需要用水,矿工熟悉爆破技术,当地适用于筑坝的材料是岩石和树木,于是这种坝型应运而生。最初用的是抛填堆石,曾以木面板、钢面板等防渗,后来被混凝土面板、黏土心墙或斜墙所代替,以承受更高的水压力。

堆石坝的发展经历了以下三个阶段。

(1)初期(1870~1940年)。施工方法为抛石填筑,辅以高压水枪冲实的简单压实工艺,堆石体不密实,沉降和水平位移量较大。例如,1931年建成的美国盐泉坝(Salt Spring Dam),高100m,以及当时较高的迪克斯河坝(Dix River Dam),都出现了因变形过大使面板破坏和大量渗漏的事故。抛石填筑一般仅适用于坝高小于70m的中低坝。

(2)过渡期(1940~1965年)。是抛填堆石坝向碾压堆石坝的过渡阶段。在此期间,由于筑坝高度不断增加,刚性的混凝土面板由于不能适应抛填堆石的变形而开裂,出现严重渗漏的大坝明显增加,而带有反滤层的黏土心墙却能适应抛填堆石的较大变形而保证其防渗性能,因此,面板堆石坝逐渐被黏土心墙或斜墙堆石坝所替代。1958年英国的库契坝(Quoich Dam)首次引入振动碾压实坝体堆石,从而开始了由抛填堆石向碾压堆石的过渡。1966年完成的美国新国库坝(New Exchequer Dam),高150m,是用薄层碾压和厚层抛填混合建成的,该坝因大变形而导致大量渗漏,这是过渡时期的最后一座高坝。

(3)现阶段(1965年至今)。由于大型振动碾的出现和堆石分层碾压技术渐趋成熟,使得堆石填筑质量明显提高,面板堆石坝再度显现其优越性而得到迅速发展。1971年建成的澳大利亚的塞沙那坝(Cethana Dam),高110m,奠定了现代面板坝的技术基础。从1980年建成的高160m的巴西阿里亚坝(Foz do Areia Dam)、1985年建成的高148m的哥仑比亚萨尔瓦兴娜坝(Salvajina Dam),到1993年建成的高187m的墨西哥阿瓜米尔巴坝(Aguamilpa Dam),设计和施工技术日益成熟,坝高和工程规模也日益增大,发展成为一种富有竞争力的新坝型。同时,常规意义的堆石坝也得到了迅速发展,可以成功地用砾石、碎石、漂石、大块石建筑碾压堆石坝。

中国最早的堆石坝是1957年建成的四川狮子滩大坝,为混凝土重力墙式的抛填堆石坝,坝高52m;最早的混凝土面板堆石坝是1966年建成的贵州百花大坝,为抛填堆石坝,坝高48.7m。以现代技术建设混凝土面板堆石坝,始于1985年。第一座开工建设的是湖北西北口水库大坝,高95m。第一座完工的是辽宁关门山水库大坝,高58.5m。目前,世界已建成的最高的心墙堆石坝是塔吉克斯坦的努列克堆石坝(Nurek Dam),坝高300m,建成于1980年;最高的斜心墙堆石坝是塔吉克斯坦的罗贡坝(Rogun Dam),坝高335m,建成于1986年;最高的混凝土面板堆石坝是中国的水布垭大坝,坝高233m,建成于2008年。黄河小浪底大坝,坝高154m,是中国已建成的最高的斜心墙堆石坝(2001年);瀑布沟大坝,坝高186m,是中国建成的最高的心墙堆石坝(2010年)。

堆石坝坝型选择

坝型选择是堆石坝设计中的重要问题,关系到整个枢纽的工程量、投资和工期。影响坝型选择的主要因素有筑坝材料、地形地质、水文气象、施工和运行条件等。在坝型选择时,应综合考虑这些因素,经技术经济比较确定。

一、筑坝材料

筑坝材料的分析论证内容包括土料、石料的种类、性质、数量、质量、开采运输条件等。发展趋势是尽可能地利用当地材料(如有效开挖料、河床砂卵石和河岸冰碛土等),有时甚至使用劣质松散岩石如页岩、片岩等。这样做往往是经济的,而且技术上也是可行的。

二、地形地质

条件堆石坝对地形的适应性较强,既可以修建在宽阔的河谷中,也可以修建在峡谷中。一般河谷宽、岸坡平缓的地形最有利于和两岸坝头的连接、枢纽布置和施工布置。

堆石坝是一种重力式坝型,其地基强度与变形模量易于满足要求,需要考虑的主要问题是渗流控制。对于高堆石坝,其地基应力较大,一般要求建在岩石地基上。对于面板堆石坝,通常要求主堆石区填筑在岩基上。冲积层地基较适宜修建土质防渗体堆石坝,修建非土质的面板堆石坝时,应论证和采取措施避免地基产生的不均匀沉陷影响大坝正常运用。

三、坝型

土质防渗体(心墙与斜墙)便于与坝基内的垂直和水平防渗体相连接,心墙和斜墙坝可以在深厚的覆盖层上修建,且不仅适宜较低坝,也适宜高坝。如当地有足够土料且造价较低,一般都尽量选择土质防渗体堆石坝。防渗体的尺寸由土料的质量和储量决定。在决定采用土质防渗体的同时,还应注意防渗体两侧的反滤层和过渡层材料的来源,尽量选用坝址附近的天然砂砾石,并使其用量最少。

斜墙坝的坝壳可以超前于防渗体进行填筑,而且不受气候条件限制,也不依赖于基础灌浆施工的进度,施工干扰小。但由于抗剪强度较低的斜墙防渗体位于上游面,故上游坝坡较缓,坝的工程量相对较大。斜墙对坝体的沉降变形也较为敏感,与陡峻河岸的连接较困难。因此高堆石坝中斜墙坝所占的比例较心墙坝少。高度超过100m的斜墙坝,绝大多数采用斜心墙的型式。

心墙坝的防渗体位于坝体中央,适应变形的条件较好,特别是两岸坝肩很陡时,较斜墙坝优越。近年来心墙坝的发展趋势是采用薄心墙以减少对大坝的稳定影响;采用砾石土料降低孔隙压力和压缩影响。尽管如此,因心墙土料的压缩性较堆石料高,易产生拱效应,对防止水力劈裂不利,对坝的安全有影响。另外,心墙在施工时必须与两侧坝壳平齐上升,施工干扰大,受气候条件的影响也大。

坝址附近缺乏土料,或者当地土层薄,需要大面积破坏地面覆盖时,可以选用非土质防渗的混凝土面板堆石坝。混凝土面板堆石坝具有工程量少、施工方便、导流度汛措施简单和对地形地质条件适应性强的特点,已成为200m级及以下堆石坝的必比坝型,当前正在研究300m级超高混凝土面板堆石坝的可行性。以往要求趾板建基于坚硬、非冲蚀性和可灌的基岩上,但近期的实践已突破这些要求,可利用风化岩石、残积土、砂砾石冲积层等作为趾板地基。另外,利用沥青混凝土作为堆石坝的防渗体,对于缺乏土料的坝址,也有一定的应用和发展前景。

堆石坝材料要求

堆石是一种以颗粒为主并具有一定级配的无凝聚性材料。通常指人工爆破开采料和天然山麓堆积料,其定义本身不包含冲积砂砾石,但对堆石坝的坝料来源而言,通常也将砂砾石包括在内。

石料的母岩以强度高、密度大的火成岩如花岗岩、正长岩、辉长岩、闪长岩等最好,页岩、泥灰岩等最差。其适用性应根据坝型和石料在坝内所处的部位分区考虑。

对于非土质防渗体(如钢筋混凝土面板、沥青混凝土面板、沥青混凝土心墙、沥青混凝土斜墙等)堆石坝,由于防渗体对沉陷反应较敏感,要求尽可能采用新鲜、完整、坚实的石料。对于土质防渗体堆石坝,粒径较小、强度相对较低、抗冻性较差的石料,可以填筑在坝体内部,两侧棱体则应采用强度较高、粒径较大的石料。上游护坡堆石,因受风浪、大气的长期侵蚀,对质量的要求最高,应采用新鲜、完整、尺寸经过专门计算挑选的大石块。

从石料质量讲,材料越坚硬(耐风化、抗剪强度高、能自由排水),就越能提高坝的安全性和经济性。因为堆石坝坝壳的主要功用是维持坝体的稳定,抗剪强度高、能自由排水,则坝坡可以较陡,因此工程量较小,坝的安全性也较高。

对岩石的强度要求,一般要求岩块的抗压强度大于20MPa,刚性斜墙堆石坝则要求岩块的抗压强度大于30MPa;岩石的软化系数不低于0.7;在自重和水压力作用下不致被过分压碎,而影响到坝体的自由排水。

需要说明的是:SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》中未对堆石料的质量提出具体要求,但指出“料场开采和建筑物开挖的无粘性土(包括砂、砾石、卵石、漂石等)、石料和风化料、砾石土均可作为坝壳料,并应根据材料性质用于坝壳的不同部位。”

堆石坝填筑标准

SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》对堆石的填筑标准作了如下规定:堆石的填筑标准用孔隙率为设计控制标准,并应符合下列要求:

(1)土质防渗体分区坝和沥青混凝土心墙坝的堆石料,孔隙率宜为20%~28%。

(2)沥青混凝土面板坝堆石料的孔隙率宜在混凝土面板堆石坝和土质防渗体分区坝的孔隙率之间选择。

(3)采用软岩、风化岩石筑坝时,孔隙率宜根据坝体变形、应力及抗剪强度等要求确定。

(4)设计抗震烈度为8度、9度的地区,可取上述孔隙率的小值。

堆石的碾压质量一般采用碾压参数(包括碾压设备的型号、振动频率及重量、行进速度、铺筑厚度、碾压遍数、加水量等)和干密度(或相对密度)同时控制,碾压参数通过碾压试验确定。设计干密度可用孔隙率和岩石密度换算。

采用碾压参数和干密度同时控制是因为:①堆石料的压实性与岩性、堆石料的最大粒径、石料级配等因素有关,而上述因素在施工过程中有较大改变;②堆石粒径大、施工碾压机具的压实功能强,难以在试验室内进行原级配的击实试验或相对密度试验以确定其填筑标准。

在初步选择堆石料的碾压参数时,对土质心墙坝的坝壳堆石,一般采用10t的振动平碾,铺料厚度80~100cm,碾压4~8遍。对于软岩堆石料,则应适当减小铺料厚度,合理加水,必要时增加碾压遍数。对面板堆石坝,坝体的填筑质量,特别是面板下的垫层、过渡区及坝轴线以上堆石区的压实质量,是控制坝体沉降变形和防止裂缝的前提条件,应按坝体的不同分区,考虑坝的等级、高度、河谷形状、地震烈度及料场特性等因素,参考同类工程经验和现行规范建议值初选孔隙率、坝料级配范围和碾压参数。主、次和下游堆石区一般铺料厚度为80~120 cm,采用18~25t的自行式振动碾或与之相当的击震力的拖式振动碾。所有类型堆石坝的下游坝料的设计干密度可较上游区适当放宽。

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