土石坝的分区填筑

土石坝的分区填筑

节水设计的主要方向是提高水库的技术经济指标。首先，我们必须降低工程造价，提高工作效率，减少材料消耗，并尽可能利用当地的建筑材料。与其他坝型相比,土石坝在相当大的程度上能满足这些条件。因此,近年普遍推广应用当地材料筑坝。在世界筑坝实践中,土石坝,特别是堆石坝较多。目前一些建坝较多的国家利用当地材料新建坝的数量,几乎是混凝土坝的5倍。美国等国家,已建土石坝几乎是混凝土坝的100倍。日本、意大利和西班牙等以前以建混凝土坝为主的国家,今天当地材料坝也占了多数。在最近的美国标准文件中特地规定只有在施工现场没有适宜于土石坝的土石料时,才能选择其他坝型。这就再一次地证实,在现代施工技术中,土石坝和堆石坝是较经济的,劳动消耗量较小,运行上也较为安全可靠。由于科研、设计和施工技术的进步,可以利用以前认为不适宜建土石坝的坝址,广泛采用有效挖方和附近采料场的土石料。根据“填料的质量与坝体填筑区域相适宜”的原则,在实施分区填筑时,实际上可以采用任何一种当地土料和石料(淤泥和泥炭除外),并在所有的作业中完全实行机械化。该类坝型的优点在于抗震性能最强,外来材料(金属、水泥和木材)量最少,可以采用有效挖方和附近有采料场的材料,实际上可以建在任何地基上,可以在岸坡陡峭的峡谷中施工,在任何自然气候条件下可全年填筑,以及可采用劳动消耗最低的机械化施工。土坝的缺点是泄水建筑物的规模较大,施工期间泄洪较复杂,以及运行时不允许从坝体溢流。土石坝建筑相应分为3个时期:初期(1940年前,筑坝高度大约是60～80m)、过渡期(1940年至1965～1970年,筑坝高度增至150～160m)和现代(目前的筑坝高度已达到250～300m)。随着坝结构的改进以及填筑方法的改善,促进了筑坝高度的增加。过去主要是修建心墙土坝,而较少修建钢筋混凝土斜墙坝。当按大的层厚铺填石料时,石料会随层高产生分离,即表层为相对细的、密实的、分级良好的石料,底层为粗粒的高孔隙率、分级不好的石料,因而降低底层的填筑密度。事实证明,这样的填方在运行过程中出现了严重的不均匀沉陷,使钢筋混凝土斜墙与峡谷岸坡衔接复杂化,并增加了斜墙上的裂缝形成。在现代土石坝结构中,将全部石料只按薄层(0.8～2m)用振动压实法填筑,这样就能大大减少石料分离,并保证铺料密实。超径石块曾引起一定的麻烦,现在可用振动锤直接破坏。这样的填方使运行过程中出现的沉陷最小,实际上,这样就可以在任何自然条件下修筑堆石坝。现代堆石坝的另一个不同之处是根据石料的铺设密度来划分坝的断面:那些承受较大应力的区段(坝上游楔形体和中间区段),采用铺料层的厚度要比坝下游楔形体薄,因此,要密实得多。高土石坝的特点之一是采用粘土垂直或微斜心墙作为防渗体。这是因为其稳定性更好和更经济,与岸坡的衔接较简单,其支撑棱体的变形对心墙的影响要比对斜墙的影响小一些。最高的坝均为心墙式。已建成并正在正常运行的心墙或亚粘土斜心墙高土石坝有:高300m的努列克坝、高262m建在陡峭峡谷中位于9级地震区的奇柯阿森坝、高244m的瓜维奥坝、高242m的麦卡坝,等等。实际上目前没有修筑土斜墙高坝,因为这种坝并不比钢筋混凝土斜墙坝(即混凝土面板坝)更经济。目前,最经济的混凝土面板堆石坝(即钢筋混凝土斜墙堆石坝)得到了大力推广。有100多座混凝土面板堆石坝正在成功地运行:坎波斯·诺沃坝(195m),阿瓜米尔帕坝(187m),利亚米埃利坝(185m)等等。现在修建高205m的巴昆坝。已设计出的50多座混凝土面板坝,最大高度达230m。由于石方填筑质量的提高,钢筋混凝土斜墙结构的完善,面板接缝以及面板与岸坡和坝基连接结构的改进,修建高度达200m的高混凝土面板坝是可能的。现代面板堆石坝的钢筋混凝土斜墙与老式结构的斜墙有着本质的区别,且从坝基至坝顶均为整体的单层连续式钢筋混凝土板,用温度伸缩防渗缝连接。厚度是变化的:坝基处最大,坝顶处最小。在现代设计方案中,斜墙与岸边的衔接是专用的周边防渗板,该板的尺寸由岩基的完整程度和水头来确定。这样的衔接不仅可以在连接处进行象老式坝中的深帷幕施工,而且还可以进行固结灌浆,这些都有助于提高坝运行的安全性。现代混凝土面板堆石坝的结构较合理,是所有土石坝中最经济的,因为在采用同等施工技术条件下,该坝的填方量和防渗结构——斜墙的工程量最小。已建成的高沥青混凝土心墙堆石坝有:高149m的芬斯特塔尔坝、高125m的斯图尔格龙瓦特坝、高110m的伊尔加奈坝、高109m的海艾连德坝、高90m的斯托尔瓦腾坝等等。在近几年已建坝的结构中,全部应用了世界筑坝的先进成果。现代高土石坝和高堆石坝的设计方案采用了新技术。比如,心墙嵌入基岩的深度仅限于清理被破坏的软岩,将坝基和岸坡处的灌浆廊道设置为地下式,坝体心墙中不设廊道,这样能保证在短期内对高坝进行连续施工。利用现代化施工机械与新方法,可以在任何气候条件下——从永久冻土带(维柳伊坝、乌斯季-汉泰坝及科雷马坝)到降雨量相当大的炎热地区,都能进行全年施工。土坝施工组织的基本原则是选择最合理和最佳的布置方式,以及相应的开挖、运输和坝体分区填筑的施工机械。同时,各个工序和整个填方的工程造价,以及经费和劳动生产率都应有规定的标准。设计方案中的采料场平面位置和高程对施工总布置方案的选择有很大的影响,而且料场的高度本身也决定着运输方案、道路网和运输工具类别的选择。坝体分区填筑的组织主要取决于筑坝顺序、投运方式、采料场位置及坝址地形条件。在选择土石坝施工组织的总布置方案时,总是利用泄水建筑物与地下建筑物的有效挖方。比如,上图洛姆坝完全是用基坑和隧洞的有效挖方的土石料填筑的,而在阿斯旺高坝施工中,几乎有1000万m3的岩石料取自于渠道开挖。过去几年在陡峭的峡谷中修建了一些高坝:高237m的奇沃尔坝的坝顶长度只有300m,高176m的日本高濑坝的坝顶长为362m。在岸坡陡的山区条件下修建高土坝,心墙与坝基连接的复杂性都对允许的最大沉陷提出了较高要求,这些本身也决定着对坝的支撑棱体的选择及其密度的最优性。因此,建在狭窄深谷的高坝的另一特点是,无论是在施工期间,还是在运行期间,要求沉陷量最小,以防止心墙与峡谷岸坡连接处产生接触破坏。在修筑现代高坝时,其沉陷不会超出0.5%。对高坝的心墙材料也提出了高的要求。因此,往往必须预先将这些土料制备好,包括各种混合土料的分选、清除超径石料、将材料烘干或湿润。用于努列克坝心墙的土料的粒径级配和湿度极不均匀,要求对其进行分选和加湿。在一些选料现场均用专业选料设备进行分选。比如,在本尼特坝施工时,有2000多万m3的采料场土料进行了干选和湿选。奇柯阿森坝施工时,大约有1500万m3的土石料经过了破碎筛分设备的筛选,将石料分为5个粒级,而冲积土(淤泥)分为7个粒级,并借助于计算机精选出最佳粒级。在降水量相当大的地区用过湿土料修筑土石坝时,施工人员必须克服极大的困难。为了烘干土料,修建一些有顶篷的过渡性贮料场,如奇沃尔坝施工时就修建了类似贮料场,此处的年降水量达6000mm,一年的实际施工时间只有4个月,或者象修筑加拿大马尼克3号坝一样,将土料在旋转炉中进行干燥,这样可以明显减少含水量,提高填筑质量,并使工期提前一年完工。高土石坝和高堆石坝的最大优点是,在大坝的填筑量还不到总工程量的50%时,第一批机组可以在低水头情况下投入运行。比如,努列克水利枢纽的第一批机组就是在有临时斜墙的坝上游楔形体高度只至123m时投入运行的。现代化的施工方法和所积累的设计与研究经验,实际上可以对任何自然气候条件下修建土坝作出经济的设计,并加以科学论证,而现代化的筑坝工艺措施,则可以在最合理的期限内修建高坝和超高坝。采用高生产率的施工设备和流水施工工艺,使填筑强度达到很高:塔贝拉坝3500万m3/a;奥洛维尔坝1720万m3/a;阿斯旺坝1280万m3/a等等。布置方式和机械化设备的选择,主要取决于岩石的特性和采料场的开挖强度,同时,在像努列克坝、恰尔瓦克坝、麦卡坝、奇沃尔坝、塔贝拉坝这样一些高坝施工时,在采料场的开挖中采用了循环作业的高生产率的装载设备:挖掘机和轮式装载机。这些设备与高生产率的运输工具——大型自卸卡车或运土机以及皮带运输机一起运作。峡谷中筑高坝时,随着坝高的增加,往各高程运送填筑材料比较困难