堅持科學發展 創新設計理念——小型土石壩建設技術創新與實踐經驗總結

邱力軍

(云南江川縣水利水電勘測設計隊 云南玉溪 652600)

云南省地處云貴高原,云南省江川縣地形以山區為主,水庫大壩主要以小型土石壩為主,約占大壩總數的90%,蓄水量占水庫蓄總量的60%,這些水庫在山區發揮著生命線的作用,作為基層的設計人員,在小型土石壩建設中樹立創新意識并進行實踐具有十分重要的意義[1]。土石壩規范和土石壩理論都是針對大中型工程而寫,小型工程屬于參照執行,而且土石壩技術屬于半經驗半理論,這給小型土石壩技術創新與實踐提供了空間。在正確理解規范和靈活運用土石壩基礎理論的基礎上,筆者對自己認為有創新的觀點和技術進行總結,希望得到同行的指導。

1 充分認識勘察工作及勘察質量的重要性

勘察是設計的基礎和依據,施工階段出現較大的設計變更,超概算,70%是因為勘察深度和精度不夠或勘察成果錯誤,每年因勘察原因造成的損失遠遠大于應該支付的勘察費用。根據勘察的特殊性,為了保證勘察質量,勘察工作要由信譽比較好的專業隊伍承擔,最好由水利系統的專業隊伍承擔,勘察招標和評標,要以勘察隊伍的信譽和實力為主要評標標準,不能過多的強調價格。建議勘察和設計不承包給同一單位,最好是承包給不同的單位,這樣設計單位可以在設計過程中檢查勘察質量,確?？辈炷軌蜻_到設計要求。通過運用現代科學技術來提高勘察質量是勘察技術發展的趨勢。例如,除險加固工程如果測量時水庫處于高水位,用傳統的測繩進行測量內壩坡和水下地形圖很難測到真實的地形情況,到施工時放空后往往和設計有很大出入,輸水涵洞進口高程不是過低就是過高,過低的形成病害,過高的死庫容過大。如果采用聲納測深儀配合RTK就可以簡單準確地測出水下地形圖,避免了大的設計變更和投資的浪費。

2 設計是控制工程質量和投資的關鍵

優質工程首先要有優良的設計,設計人員要充分認識設計是控制投資、控制質量、控制施工進度的關鍵。近年來由于工程比較多,設計單位超負荷運轉,出現設計周期不夠,設計質量有所下降,施工過程中設計變更多,超概算現象突出,給工程建設帶來很多不利因素,給國家造成了一定的損失。目前對施工質量監督的機構比較建全,但對設計單位的監督和考核的機制還不夠建全,要從外部加強對設計單位的監督,禁止轉包,設計單位內部要加強管理,提高設計人員的基本技能,建立內部責任追究制,同時行業主管部門要加大對設計單位的監管力度。要成為一名優秀的設計人員最好是經歷過勘察施工,知道勘察數據是怎么來的,有工程施工經歷,知道工程施工方法,知道設計成果能否符合實際,一個好的設計成果應該是施工簡單、造價較低。若設計人員對造價不熟悉,不了解施工工藝,會造成設計成果書本化的現象,設計成果達不到最優化。

3 認真分析計算成果,成果不能作為設計決策的惟一依據

土石壩無論壩體、壩基都屬巖石范疇,都是非均質彈性塑性體,計算時往往需對應力應變關系、物理力學參數或邊界條件等作一些假定,計算結果屬于半理論半經驗,有時只能供判斷用,而不能成為設計決策的惟一依據,做好土石壩工程設計不僅在于會計算,更重要的是如何結合壩體地形、地質和筑壩材料等具體條件,借鑒已建成工程的成功經驗,在布置、結構型式、處理辦法等方面采取有效措施,做到既經濟又安全。對于一個成熟的土石壩設計工程師,豐富的實踐經驗至關重要。

4 分區壩的優點和防滲標準

近年來江川縣新建的30座水庫大壩中分區壩占了80%,分區壩是介于心墻石碴壩和均質壩之間的一個復合壩型,繼承了兩種壩型的優點,克服了兩種壩型的缺點,這種壩型可用的筑壩材料種類多,能夠最大限度地就地取材,心墻的防滲標準比心墻石碴壩低,解決了工程中防滲土料難找的問題,壩殼料可以就地取材,大大降低了工程造價及施工難度,分區壩的壩坡可以比均質壩的壩坡稍陡,這樣可以減少回填工程量,分區壩的沉陷變形比均質壩小,壩體結構比均質壩更合理。現在施工機械比較發達,對填筑土料的要求降低,分區土石壩在造價和適用性方面越來越顯示出他的優點。對已建的30座分區壩的防滲體K值(現場指標)進行統計分析,K 均在 5×10-5cm/s～1×10-5cm/s范圍內[1]。

5 重新認識死庫容的含義和作用

在水庫設計過程中,死庫容的確定是按照年淤積量乘于水庫運行年限來確定,對江川縣80座小型工程死庫容淤積情況進行調查分析,達到使用年限未淤滿的有20座,其余都沒有達到使用年限就已經淤滿。近年來生態遭到破壞,水土流失嚴重,設計時采用的浸蝕模數不能反映水庫的輸砂量;由于氣候反常,降雨不均,山區局部干旱的現象較為突出,4～5月份是用水高峰和抗旱的高峰,有的水庫死庫容被全部放干,無保苗水,連人畜飲水都很困難,嚴重影響了人民群眾的生產生活。在山區的小型水庫設計中,死庫容的作用要考慮抗旱的需要和人畜飲水的需要,建議把死庫容理解成抗旱庫容,山區的生命庫容,設計時在常規計算的基礎上要適當提高死水位高程,死庫容設計過大屬于不太合理,設計過小屬于理念的錯誤。從除險加固工程的情況來看,當時建庫時死庫容放得比較大的工程,現在除險加固輸水涵洞和壩高基本不用變,為國家節約了大筆資金。工程設計寧右勿左。

6 壩下埋管的設計和施工技術總結

20世紀80年代前建的小 (二)水庫涵洞絕大部采用壩下埋管,其形式為鋼管或鑄管外包混凝土,外面設一道放水閘門,經統計10年來汛期小型水庫險情資料,70%險情都是因為壩下埋管涵洞進口堵塞或洞身斷裂。其原因是水庫淤積超過涵洞進口高程產生堵塞,涵洞基礎沒有坐落在基巖上,運行過程中基礎產生不均勻深陷,導致涵管斷裂,無法進行修復,影響了水庫的正常安全運行。

解決壩下埋管涵洞出現問題最好的方案是新建涵洞,經筆者對江川縣已完工的30座除險加固工程進行統計分析得出,如果開挖深度不超過15m,而且爆破量不大,適合挖掘機開挖作業,采取開挖明槽方式新建壩下埋管涵洞,可以比隧洞方案節約40%～60%的投資,工期縮短40%～60%。開挖深度超過20m,而在不能采用挖掘機開挖作業的情況下,隧洞方案要優于壩下埋管方案。

圖1 洞身結構示意

在總結已建壩下埋管問題的基礎上,建議壩下埋管涵洞形式采用洞中設管,洞身結構為120cm×180cm的城門洞型鋼筋混凝土,洞內設置300mm～500mm的管。洞身不宜采用漿砌石結構,漿砌石達不到防滲要求,容易造成漏水,產生漏水后要進行灌漿處理,處理費用要超過采用混凝土的費用?，F推薦一種經濟、實用的結構形式 (見圖1)供同行參考,該結構已列為玉溪市推廣的標準化設計結構[2]。

7 截水槽底寬尺寸設計

截水槽底寬尺寸應滿足滲徑要求,取決于截水槽回填土的允許滲透比降。對于粘土及重壤土底寬不小于 (1/8～1/10)H,對于中壤土不小于(1/5～1/6)H(H為上下游水頭差)。為滿足機械化施工要求,槽寬最好不小于3m。截水槽上下游坡度取決于開挖時邊坡穩定要求。一般采用1︰1～1︰2[3]。

8 正確理解和運用規范中規定的防滲指標

規范中規定均質壩的K≤1×10-4cm/s,粘土心墻石碴壩心墻的K ≤1×10-5cm/s,這里指的是現場碾壓試驗得出的土料防滲控制指標,而不是指實驗室得出的指標,他們之間相差 1～2個數量級[4]。

9 正確理解現場碾壓數據的意義和適用范圍

大壩填筑土料的現場碾壓試驗和現場抽樣檢驗得出的數據是相對數據,是相對特定的工程、特定的試驗設備、特定的試驗手段、特定的試驗方法得出的數據,所以用于現場取樣試驗的環刀、滲透儀、取樣樣坑、試驗方法和碾壓試驗時用的規格尺寸要一致,試驗的方法程序要一致,這樣得出的試驗數據才能真實反映填筑土料的壓實情況。某工程現場控制指標只能用于本工程,不能用于另外的工程,對另外的工程只能作為參考。

10 大壩沉降量的計算和在施工中的處理方法

根據已建壩的統計分析,正常碾壓的土石壩竣工后沉降量為壩高的0.2%～0.5%,如超過1%可能產生裂縫。大壩施工中的沉陷在施工過程中已基本完成,完工后大壩沉陷主要發生在一級坡,沉陷壩高的處理在一級坡上調整。在施工中的處理方法為:按照一級坡設計底寬不變,高度按照設計壩高加沉陷壩高,重新計算一級坡的坡比[3]。

11 推廣標準化設計,有利于提高工程質量和降低工程造價

標準化結構設計是由當地 (國家、省或市)權威部門根據當地的情況對一些常規的、常用的、實用的結構,經專家論證是最經濟合理、比較適用的建筑物結構,在一定范圍進行統一并制作成標準圖集進行發布,設計單位設計時按照這些標準圖集進行設計。施工單位可以根據標準圖集制作定型模板,制作的模板費用可以在多個工程中攤銷,避免非標模板造成的浪費,同時可以提高混凝土的澆筑質量,標準化結構有利于工廠化生產,有利于統一設計標準和施工質量標準,降低工程造價。

1 邱力軍.江川縣病險水庫普查報告[R].江川縣水利局,2008.

2 邱力軍.江川縣石樓梯水庫除險加固工程竣工報告[R].2008.

3 汪易森.水利水電工程若干問題的調研與探討 [M].北京:中國水利水電出版社,2002.

4 SL274-2001,碾壓土石壩設計規范[S].