从施工的角度看土石坝的发展趋势

从施工的角度看土石坝发展趋势水工01罗佳2010010223摘要：土石坝是指用当地泥土石料或混合料等材料，经过抛填辗压等方式筑成的挡水坝。它是最常见的一种坝型，也是当前坝工建设中广泛应用快速发展的一种类型。本文就水利工程中的土石坝施工技术及其未来的发展趋势进行简单的探讨，进而分析土石坝发展中需要改进的方面及其广阔的前景。关键词：土石坝；施工技术；进展；发展趋势Abstract:0前言20世纪50年代以来，国内外的土石坝得到了飞速发展，近年来更有超过混凝土坝的趋势。目前世界上最高的坝是土石坝——罗贡坝，筑坝工程量最大的坝也是土石坝——塔尔贝拉坝；另外，以百米以上的高土石坝为例，40年代仅有47座，到80年代初已超过240座，在全部百米以上高坝中土石坝所占的比例由50年代的31%增至80年代的62%左右，超过了混凝土重力坝和拱坝的总和，其中坝高超过150米的高坝有270座,土石坝就占68座，300米以上的高坝均为土石坝，低坝中土石坝的比例更是占绝对优势。据不完全统计，世界土石坝占大坝总数达到82.9%，而在中国土石坝数量占到大坝总数的93%。各项经济指标都体现了土石坝广阔的发展前景，使其成为发展最快的坝型。分析土石坝广泛应用及快速发展的原因，一方面，现代土力学理论的发展促使对土料压实理论的研究不断深入，提高了对土石坝安全性的认识；另一方面，施工机械与技术的提高也不可忽略，与其他坝型相比，土石坝在经济方面和施工方面都具有绝对的优势。笔者希望从土石坝施工的角度着手，分析土石坝在施工方面的优缺点，从而对土石坝的发展前景进行展望。1土石坝基本情况介绍土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。当土石坝坝体材料以土和砂砾为主时，称为土坝；以石渣、卵石、爆破石料为主时，称为堆石坝；当两类当地材料均占相当比例时，称为土石混合坝。1.1土石坝的特点因为土石坝的施工所用材料一般采用就地开采，在施工中充分利用各种开挖料，因此土石坝又成为当地材料坝，所谓土石坝的施工即将这些经过抛填、碾压等方法堆筑成挡水坝。根据土石坝施工方法的不同，可将其分为碾压式土石坝、充填式土石坝、水中填土坝和定向爆破堆石坝等，其中应用最广发的是碾压式土石坝，其主要特点使对基础要求低，适应基础变形的能力强。土石坝就地取材的特点，不仅能节省钢材、水泥、木材等重要建筑材料，也减少了建坝过程中的远途运输；同时由于土石坝结构简单，也便于维修、加高和扩建；土石坝的坝身是土石散粒体结构，有良好的变形协调性能，因此与混凝土坝相比，它对地基的要求较低；施工技术简单，工序少，便于组合机械快速施工，大大节省了施工时间。但从施工角度来看，土石坝也有其局限性。一方面，土石坝坝身不能溢流，坝顶需设置溢洪洞，且施工导流不如混凝土坝方便；同时，粘性土料的填筑也较受气候条件的影响；土石坝坝体本身也容易发生渗透变形、洪水漫顶和滑坡等破坏。在洪水流量较大、两岸很陡、河谷狭窄、有通航要求的河流上，土石坝工程的导流、泄洪、通航问题比混凝土坝更难以解决，在施工和运行期都面临较大风险，这也是我国西南地区大江大河上土石坝比例较小的主要原因之一。在我国其他地区，只要洪量不大、河谷开阔、没有通航要求，随着气象、水文预报工作水平的提高，以及施工技术和导流技术的发展（如面板堆石坝临时断面漫洪导流、作为坝体一部分的高围堰导流等），特别是由于大型振动碾等施工机械的应用，如今在很多坝址，若当地筑坝石料较多、地质条件较差或地震烈度较大时，往往建造土石坝尤其是堆石坝具有很大的优越性。（水工建筑物课本）1.2土石坝的设计原则土石坝的设计原则和要求主要包括坝身不能泄洪；需要适宜的坝坡以维持坝坡及坝基的稳定性；应设置良好的防渗和排水措施，从而控制渗流，防止坝体发生渗透变形；根据现场的土料条件，选择合适的土料标准，防止产生过大的沉陷；采取适当的构造措施保护坝顶、坝坡免受自然条件的破坏，提高土石坝运行的可靠性和耐久性；提高土石坝机械化施工的水平。（关于水利工程土石坝施工的技术及趋势探讨）1.3土石坝的应用现状近年来，土石坝由于造价低廉、结构简单、施工方便等优点使其在国内外都处于持续发展的阶段。岩土力学、渗流力学和设计技术的不断发展，使土石坝的设计更趋安全经济；高效灵活的巨型土石方施工机械的产生，使土石方施工机械化进入了一个新的水平，促进了工期的缩短和造价的降低，增加了土石坝在各种坝型中的竞争能力；土石坝坝基深厚覆盖层防渗处理技术有很大的突破，更为经济看可靠的混凝土防渗墙得到了广泛的应用；地质条件较好的坝址均已开发，土石坝在覆盖层厚、基岩软弱或存在地质缺陷的坝址占有绝对优势；高烈度地震区的坝址，土石坝良好的抗震性能也使其相对其他坝型更加安全可靠。2土石坝的工程施工（浅谈土石坝的施工关于水利工程土石坝施工的技术及趋势探讨）土石坝的施工过程是一个很复杂的流程。以土石坝中应用最广泛的碾压式土石坝为例，其施工过程包括准备作业（如平整场地，修筑道路，架设水、电线路，修建临时用房，清基、排水等），基本作业（如土石料开挖、装运、铺卸、压实等）以及为基本作业提供保证条件的辅助作业（如清除料场的覆盖层、清除杂物、坝面排水、刨毛及加水等）和保证建筑物安全运行而进行的附加作业（如修整坝坡、铺砌块石、种植草皮等）。以下从土石坝的料场规划、土石料的开挖运输、坝基与岸坡处理、填筑施工以及土石坝渗透变形及其防治措施等方面探讨土石坝的施工技术。2.1料场规划料场合理规划与否会直接影响土石坝的工程质量、工期以及工程造价等，还可能打乱坝体外围的林业生产，是土石坝施工过程顺利进行的基础，需要综合考虑施工期河水位的变化、工程对河水位的影响等诸多因素。2.2土石料的开挖运输土石料的开挖运输是土石坝施工的重要环节，包括料场的开挖、运输以及坝面的平料和压实等。这个过程可以综合机械化施工，即由互相配套的工程机械来完成。实现综合机械化施工对加快土石坝工程建设速度、降低工程建设造价以及提高施工技术水平都有着重要作用。2.3坝基与岸坡处理（李辉）清理铺盖地基时，应将坝基岸坡及铺盖地基上面的树木、草皮、树根、乱石以及各种构筑物等等全部清除，结合机械清理与人工清理互相配合的方法进行清理，再分层将其进行回填压实，碾压整个土质坝基填筑，达到足够的夯实程度。2.4填筑施工（薛新历）由于土石坝坝型较大，因此土石坝坝面作业具有工种多、工作面狭窄、工序多、机械设备多等特点。土石坝的填筑施工主要包括了铺料、洒水和压实以及质检等几个阶段，施工时应妥善安排组织规划。为了避免在坝面的施工中出现人为干扰等因素影响施工进度，可以采用流水的作业施工，先按照施工的工序来对坝面进行分段，然后再组织相应的施工队来进行工作。2.5土石坝渗透变形防治处理土石坝现存的最大的问题即渗流，即由于填筑土石坝的土料和坝基的砂砾是散粒体结构，颗粒间存在大量的孔隙，虽然具有良好的变形协调能力，但也因此具有一定的透水性。从宏观上看，渗流影响坝下土体的应力和变形；从微观上看，渗流破坏了土颗粒原有的平衡，从而产生渗透变形。如何控制预防渗流及渗流产生的渗透变形是土石坝工程建设中最主要的工作之一。渗流对土石坝的危害是相当严重的。据统计，早期由渗流而引起的破坏事故率占31.7%。其中大型水库占11座，而对于中小型水库而言，漫坝冲垮者最多，占51.5%，其次就是渗漏导致垮坝，占29.1%。由此可见确保坝体及坝基的渗流控制是保证土石坝安全的重要措施。渗透变形的防治措施包括提高土体的抗渗能力，减少渗流产生的渗透坡降（也就是降低坝体的浸润线）。具体措施一般有以下几个方面。全面截阻渗流，比如采取斜墙、心墙、混凝土防渗墙及截水槽等防渗措施；延长渗径，如采取水平铺盖等；设置反滤层及排渗减压井等；设置排水设施，比如在坝体下游设置排水沟等。当水库蓄水后，水流在水压力作用下会沿着坝身土料、坝基土体和坝段两岸地基中的孔隙向下游渗去，继而造成坝身、坝基和绕坝的渗漏。若这种渗流控制在设计标准以内，水质清澈透明不含土壤颗粒，则大坝任何部位的土体都不会产生渗透破坏，为正常渗流；反之，渗流源过大且集中，水质浑浊，透明度低，能对土体产生渗流变形，使坝体或坝基产生管涌、流土、接触冲刷以及化学管涌等渗透变形，因而影响蓄水兴利的渗流为异常渗流。总结产生异常渗流的原因，主要有以下几个方面。坝体填土与排水体之间的反滤层设计不合理，层间系数过大或施工时有错断混层的现象，或填土不够密实，过大的渗流使填土向排水体流失，都会造成反滤层的破坏失效；在开挖截水槽时，因施工困难半途而废从，防渗体没有直达基岩或底部连续可靠的黏土层；土石坝两岸岸坡产生台阶状，高差悬殊，沉陷量突变，容易产生裂缝，导致渗透破坏。（李芳敏）3土石坝施工技术的进展近代土石坝筑坝技术自20世纪60年代以后得到了很大的发展，尤其是针对其薄弱面的几项施工技术突破都对面板堆石坝和高土石坝的广泛应用产生了极大的推动作用，包括坝基防渗处理、大型振动碾的出现和应用、施工导流技术发展等方面。例如，对于土质心墙堆石坝，首先是防渗土料开始选取采用碎石土做心墙；其次是基础的防渗技术也有较大发展，近几年来，造墙技术采用冲击及反循环钻机钻主孔，液压拔管机起拔接头套管，用孔内聚能爆破大孤石钻进等，完善了施工过程，保证了成墙的施工质量。而对于碾压混凝土坝，采用高掺粉煤灰和低水泥用量，使碾压混凝土的工作性能得到更好的发挥。笔者从以下几个方面对土石坝的施工技术进展进行具体的分析说明。3.1防渗技术的突破（王晓松，乔勇）3.1.1坝基的防渗处理坝基的防渗处理是土石坝施工的关键问题，它与坝体的设计、施工、安全可靠性以及工期、造价等均有密切关系，直接影响到土石坝工程方案的选择。在深厚砂砾石层的基础筑坝，建造防渗墙技术非常重要。用混凝土防渗墙、帷幕灌浆等手段进行一般深度覆盖层的防渗处理，这方面已经有了多年的经验积累。早期在深厚透水坝基上建立土石坝，常在坝基利用钢板桩防渗，但常出现桩尖卷刃、板桩倾斜、槽口撕开等问题，因此防渗效果并不是很理想。1954年在法国坝高128m的谢尔帮松土石坝针对它厚度为110m的砂卵石坝基进行了著名的覆盖层灌浆试验，随后对埃及的阿斯旺大坝深达225m的覆盖层采用深达174m的帷幕灌浆进行地基防渗处理，使其承受高达110m的水头，是世界上最深的基础防渗工程。后来的实测资料表明，防渗帷幕承担了该土石坝96%的渗流水头，由此可见深帷幕灌浆是处理深覆盖层防渗问题的一项有效措施。60年代中叶兴起的混凝土防渗墙，采用泥浆固壁、冲击钻造孔，防渗效果更加经济可靠；加拿大麦尼克3号土石坝水头为105m，防渗墙深度高达131m，为最深的防渗墙，且防渗效果较好。（王晓松）20世纪90年代以后，高坝深覆盖层处理技术水平快速提高，包括灌浆自动记录仪和GIN法控制技术，新型防渗墙用混凝土配比研制、冲击反循环钻机研制，防渗墙的施工方法已经从单一的钢绳冲击钻机发展成为冲击反循环钻机、抓斗、液压铣槽机,创造了钻一抓、铣一抓、铣一抓一钻等新的施工方法，攻克了墙段连接拔管法的技术难关,最大拔管深度突破了100m，中国的混凝土防渗墙施工技术已达到国际领先水平，土石坝的防渗问题也因此得到了较好的解决。3.1.2防渗心墙的土料选择（土石坝的发展趋势谢拉德）由于目前一般比较重视依靠反滤层防渗，较少考虑不均匀沉陷，因此，对防渗心墙土料的选择也产生了一定的影响。粘土的应变能力很强，能够承受不均匀沉陷产生的各种变形而不至于开裂；同时，若出现集中渗漏现象，粘土的抗冲刷能力较强。因而过去工程师一直认为粘土是最好的防渗材料，以致“心墙”和“粘土心墙”几乎变成了同义词，有时候即使坝址附近有大量分布均匀的无粘性粉砂土可以利用，施工单位却宁愿去30-40公里以外去挖运粘土。不过现在对这个问题产生了新的看法：粘土和非粘性土在裂缝出现集中渗流的情况下，所起的作用是不同的，理论上讲，两者都有其优缺点。高塑性粘土富有韧性，对集中渗流的抗冲刷能力比无粘性的粉沙壤土强很多；但粘土心墙的无侧限抗压强度较高，若土中出现渗漏通道，粘土颗粒容易起到拱的作用，将渗透途径周围架空，从而产生开口裂缝，而无粘性粉砂土的