俄羅斯低土石壩的加固處理

[] A.L.

在俄羅斯，大量低水頭水電站建在中小河流上，壩型均為土石壩，多數壩都是幾十年前修建的。建壩材料就地采取壤土和砂壤土等，料源豐富，料場距壩址近，經濟合理。但在長期運行中，受自然氣候等因素的影響，大壩主體填筑料已經發生不同程度的損壞，病害還在持續發展，甚至有發生潰壩的危險，因此有必要采取有效可行的維護和修復措施。

圖1所示為建在小河上的低水頭水電站土壩的典型剖面，設計時大壩下游坡主要考慮降水沖刷穩定問題。為防止氣候條件所產生的這種侵蝕，通常在下游坡面種植多年生草本植物。 然而由于年久失修，壩頂和下游壩坡往往發生兩種形式的破壞，一種是水通過壩體的滲透作用造成的,另一種是在高水位期和洪水期間庫水漫頂造成的。

圖1 低水頭水電站土壩橫剖面

研究表明，全區所有的土壩中超過35%的土壩運行狀態不佳，需要立即修復或重建，避免發生進一步可能的破壞。

為了避免低水頭土壩和小型水電站設施發生破壞，并在適當的時候進行修復，首先要安裝移動監測儀器，監測建筑物的運行狀況。

下一步就是要根據監測數據研究提出有效的修復方法，提高低土壩運行的可靠性。提出的土壩維修及翻新方案應具有建設性，能夠防止壩頂和下游壩坡發生破壞，這就需要開展一系列的研究，為水電站的重建服務。

為了確保這些小型土壩未來的安全運行，研究人員提出了在土壩建設中采取的兩種措施：①使用粗粒多孔混凝土；②使用土工袋。

1 粗粒多孔混凝土

混凝土中只加粗骨料，而不使用細骨料。粗粒多孔混凝土用推土機推平，使之平鋪在建筑物表面，不需要支護。使用粗粒多孔混凝土的技術在其他文獻中有詳細描述。

為了提高土壩的可靠性，特別是下游壩坡的穩定性，建議在下游壩坡粗粒多孔混凝土下鋪一層反濾層。 粗粒多孔混凝土具有良好的排水功能，有效地保護下游壩坡，并將壩體中的滲水排出。

2 土工袋

這種方法擴展了水壩的功能，具體來說就是使得土壩產生了額外集中荷載，能夠承受庫水的壓力，增加了水庫的防洪庫容，使得洪水可以安全地流過壩頂和下游壩坡。當修復方案需要對壩頂和下游壩坡進行特殊加固時，即可以采用土工袋這種方法。

為了使壩頂和下游壩坡的加固設計具有競爭力，必須滿足以下主要條件：

(1)成本低;

(2)施工快捷，應當制造一種特殊的設備，適合在斜坡上施工；

(3)施工設備易于拆卸和維修，主要的加固構件應能重復利用;

(4)能夠有效地消散下泄水流的能量。

對土石壩壩頂和下游壩坡現行加固方案的研究表明，這些方案存在各種各樣的解，其中大多數存在缺陷。這些傳統技術方法的主要缺陷是消耗材料多、實施復雜、成本高。

作者認為，在壩頂及下游壩坡使用土工袋進行加固處理，可以顯著減少這些缺點。用土工合成材料制成土工袋，袋內填充砂和土。無紡土工布材料制成的土工袋透氣透水，挖泥船挖出的泥漿通過軟管裝填到土工袋中，水通過透水的土工材料排走。土工袋也可以用挖土機械填充，如挖掘機。 填充后的土工袋橫截面是一個復雜的曲面，具體取決于充填料的性質和裝填設備產生的壓力。

SGASU發明的這種設計，用土工袋作為壩頂和下游壩坡的防護，設計方案如圖2所示。

圖2 溢流土壩設計方案

土工袋的設計特色概括如下：

(1)填土土工袋增強了壩頂及下游壩坡擋土和擋水結構的功能。

(2)在土工袋和壩體填土的接觸帶，為防止土顆粒被沖蝕掉，鋪設無紡土工布作為反濾。

(3)必要時，為確保土工袋的穩定性，沿壩體內土工袋邊緣布鋼筋網和錨固設施。

傳統的設計方案耗材多、結構復雜、成本高。提出的土壩新設計方案，使用廉價的土工袋，利用當地材料填充，施工設備(如挖泥船)效率高，避免了傳統設計方案的這些缺點，滿足了快速和方便施工的要求。

為了獲得這種土壩設計對水流過下游壩坡時的水力條件和水流下泄時消能系統參數的影響等資料，進行了模型試驗。模型試驗使用流線槽進行，玻璃槽段長5.6 m，寬0.23 m，高0.9 m，比例1∶20。

要模擬水流過土壩的水力學特征，所建立的模型需要在幾何形態、運動學和動力學上與實際大壩具有相似性，暢流的標準相似方程通常以下式表示：

(1)

式中，Fr和Re表示流體力學相似準則。

為了確定槽中水流的參數，在模型槽中的上下游分別設置了觀測點，觀測水位和水深。觀測重復多次，并計算各次測量值的平均值。在第一躍后水深區內的水流深度用下式計算：

(2)

式中,q表示單位流量,m3/s；h2表示第二躍后水深，m。

試驗數據經過處理，結果以特性曲線的形式表達，說明這些參數與相對單位下泄流量有關，并用下式表示：

(3)

式中,q為單位流量，m2/s；P為溢流壩高，m；H0為壩頂水壓，m。

相對單位排泄量與相對躍后水深的關系

h=f(q)

(4)

大壩模型的臺階狀下游坡采用不同斜率(m)的曲面構件建成，根據大壩下游坡的實際情況分別取1、2、3。相對躍后水深用下式計算：

h=h2/h1

(5)

式中,h1和h2分別為第一和第二躍后水深。

在其他條件相同的情況下，對下游壩坡為臺階狀和斜坡狀進行對比分析發現：在研究的相對單位下泄流量變化范圍內，在曲面構件形成的臺階狀下游壩坡的第一躍后水深h1比在斜坡狀下游壩坡的高20%～30%，而第二躍后水深h2前者比后者低20%～25%。據此計算的相對躍后水深值隨著斜率的增加而降低：m=1時,減少35%～50%；m=2時，減少40%～55%；m=3時，減少45%～60%。

結果證實，所提出的由曲面構件形成的臺階狀下游壩坡的大壩設計方案減緩了水流過下游壩坡的速度。因此可以確定，臺階狀下游壩坡可以有效地消散下泄水流的動能。

由于提出的設計方案具有成本低，維護簡便等特點，同時能很好地消散下泄水流的能量，因而具有較強的競爭力。

3 結 論

低土壩設計使用壽命較長，然而隨著時間的推移，壩體逐漸發生損壞。為了確保安全運行，應對壩頂和下游壩坡進行翻新，并對下游壩坡進行加固，防止進一步破壞的發生。

修復工作時，選擇使用了粗粒多孔混凝土或充土土工袋形成壩殼，洪水來臨時可以直接漫過壩頂和下游壩坡。

這種修復方案具有幾個優點：比加固下游壩坡的成本低，施工技術簡便，加固構件在短期內可以拆卸、維修或重復使用。

水力模型研究表明，這種新型的溢流壩設計方案可以更好地消散下泄水流的過多動能，曲面土工袋形成的臺階狀下游壩坡比斜坡狀下游壩坡多消能35%～60%。