坚持科学发展 创新设计理念——小型土石坝建设技术创新与实践经验总结

邱力军

(云南江川县水利水电勘测设计队 云南玉溪 652600)

云南省地处云贵高原,云南省江川县地形以山区为主,水库大坝主要以小型土石坝为主,约占大坝总数的90%,蓄水量占水库蓄总量的60%,这些水库在山区发挥着生命线的作用,作为基层的设计人员,在小型土石坝建设中树立创新意识并进行实践具有十分重要的意义[1]。土石坝规范和土石坝理论都是针对大中型工程而写,小型工程属于参照执行,而且土石坝技术属于半经验半理论,这给小型土石坝技术创新与实践提供了空间。在正确理解规范和灵活运用土石坝基础理论的基础上,笔者对自己认为有创新的观点和技术进行总结,希望得到同行的指导。

1 充分认识勘察工作及勘察质量的重要性

勘察是设计的基础和依据,施工阶段出现较大的设计变更,超概算,70%是因为勘察深度和精度不够或勘察成果错误,每年因勘察原因造成的损失远远大于应该支付的勘察费用。根据勘察的特殊性,为了保证勘察质量,勘察工作要由信誉比较好的专业队伍承担,最好由水利系统的专业队伍承担,勘察招标和评标,要以勘察队伍的信誉和实力为主要评标标准,不能过多的强调价格。建议勘察和设计不承包给同一单位,最好是承包给不同的单位,这样设计单位可以在设计过程中检查勘察质量,确保勘察能够达到设计要求。通过运用现代科学技术来提高勘察质量是勘察技术发展的趋势。例如,除险加固工程如果测量时水库处于高水位,用传统的测绳进行测量内坝坡和水下地形图很难测到真实的地形情况,到施工时放空后往往和设计有很大出入,输水涵洞进口高程不是过低就是过高,过低的形成病害,过高的死库容过大。如果采用声纳测深仪配合RTK就可以简单准确地测出水下地形图,避免了大的设计变更和投资的浪费。

2 设计是控制工程质量和投资的关键

优质工程首先要有优良的设计,设计人员要充分认识设计是控制投资、控制质量、控制施工进度的关键。近年来由于工程比较多,设计单位超负荷运转,出现设计周期不够,设计质量有所下降,施工过程中设计变更多,超概算现象突出,给工程建设带来很多不利因素,给国家造成了一定的损失。目前对施工质量监督的机构比较建全,但对设计单位的监督和考核的机制还不够建全,要从外部加强对设计单位的监督,禁止转包,设计单位内部要加强管理,提高设计人员的基本技能,建立内部责任追究制,同时行业主管部门要加大对设计单位的监管力度。要成为一名优秀的设计人员最好是经历过勘察施工,知道勘察数据是怎么来的,有工程施工经历,知道工程施工方法,知道设计成果能否符合实际,一个好的设计成果应该是施工简单、造价较低。若设计人员对造价不熟悉,不了解施工工艺,会造成设计成果书本化的现象,设计成果达不到最优化。

3 认真分析计算成果,成果不能作为设计决策的惟一依据

土石坝无论坝体、坝基都属岩石范畴,都是非均质弹性塑性体,计算时往往需对应力应变关系、物理力学参数或边界条件等作一些假定,计算结果属于半理论半经验,有时只能供判断用,而不能成为设计决策的惟一依据,做好土石坝工程设计不仅在于会计算,更重要的是如何结合坝体地形、地质和筑坝材料等具体条件,借鉴已建成工程的成功经验,在布置、结构型式、处理办法等方面采取有效措施,做到既经济又安全。对于一个成熟的土石坝设计工程师,丰富的实践经验至关重要。

4 分区坝的优点和防渗标准

近年来江川县新建的30座水库大坝中分区坝占了80%,分区坝是介于心墙石碴坝和均质坝之间的一个复合坝型,继承了两种坝型的优点,克服了两种坝型的缺点,这种坝型可用的筑坝材料种类多,能够最大限度地就地取材,心墙的防渗标准比心墙石碴坝低,解决了工程中防渗土料难找的问题,坝壳料可以就地取材,大大降低了工程造价及施工难度,分区坝的坝坡可以比均质坝的坝坡稍陡,这样可以减少回填工程量,分区坝的沉陷变形比均质坝小,坝体结构比均质坝更合理。现在施工机械比较发达,对填筑土料的要求降低,分区土石坝在造价和适用性方面越来越显示出他的优点。对已建的30座分区坝的防渗体K值(现场指标)进行统计分析,K 均在 5×10-5cm/s～1×10-5cm/s范围内[1]。

5 重新认识死库容的含义和作用

在水库设计过程中,死库容的确定是按照年淤积量乘于水库运行年限来确定,对江川县80座小型工程死库容淤积情况进行调查分析,达到使用年限未淤满的有20座,其余都没有达到使用年限就已经淤满。近年来生态遭到破坏,水土流失严重,设计时采用的浸蚀模数不能反映水库的输砂量;由于气候反常,降雨不均,山区局部干旱的现象较为突出,4～5月份是用水高峰和抗旱的高峰,有的水库死库容被全部放干,无保苗水,连人畜饮水都很困难,严重影响了人民群众的生产生活。在山区的小型水库设计中,死库容的作用要考虑抗旱的需要和人畜饮水的需要,建议把死库容理解成抗旱库容,山区的生命库容,设计时在常规计算的基础上要适当提高死水位高程,死库容设计过大属于不太合理,设计过小属于理念的错误。从除险加固工程的情况来看,当时建库时死库容放得比较大的工程,现在除险加固输水涵洞和坝高基本不用变,为国家节约了大笔资金。工程设计宁右勿左。

6 坝下埋管的设计和施工技术总结

20世纪80年代前建的小 (二)水库涵洞绝大部采用坝下埋管,其形式为钢管或铸管外包混凝土,外面设一道放水闸门,经统计10年来汛期小型水库险情资料,70%险情都是因为坝下埋管涵洞进口堵塞或洞身断裂。其原因是水库淤积超过涵洞进口高程产生堵塞,涵洞基础没有坐落在基岩上,运行过程中基础产生不均匀深陷,导致涵管断裂,无法进行修复,影响了水库的正常安全运行。

解决坝下埋管涵洞出现问题最好的方案是新建涵洞,经笔者对江川县已完工的30座除险加固工程进行统计分析得出,如果开挖深度不超过15m,而且爆破量不大,适合挖掘机开挖作业,采取开挖明槽方式新建坝下埋管涵洞,可以比隧洞方案节约40%～60%的投资,工期缩短40%～60%。开挖深度超过20m,而在不能采用挖掘机开挖作业的情况下,隧洞方案要优于坝下埋管方案。

图1 洞身结构示意

在总结已建坝下埋管问题的基础上,建议坝下埋管涵洞形式采用洞中设管,洞身结构为120cm×180cm的城门洞型钢筋混凝土,洞内设置300mm～500mm的管。洞身不宜采用浆砌石结构,浆砌石达不到防渗要求,容易造成漏水,产生漏水后要进行灌浆处理,处理费用要超过采用混凝土的费用。现推荐一种经济、实用的结构形式 (见图1)供同行参考,该结构已列为玉溪市推广的标准化设计结构[2]。

7 截水槽底宽尺寸设计

截水槽底宽尺寸应满足渗径要求,取决于截水槽回填土的允许渗透比降。对于粘土及重壤土底宽不小于 (1/8～1/10)H,对于中壤土不小于(1/5～1/6)H(H为上下游水头差)。为满足机械化施工要求,槽宽最好不小于3m。截水槽上下游坡度取决于开挖时边坡稳定要求。一般采用1︰1～1︰2[3]。

8 正确理解和运用规范中规定的防渗指标

规范中规定均质坝的K≤1×10-4cm/s,粘土心墙石碴坝心墙的K ≤1×10-5cm/s,这里指的是现场碾压试验得出的土料防渗控制指标,而不是指实验室得出的指标,他们之间相差 1～2个数量级[4]。

9 正确理解现场碾压数据的意义和适用范围

大坝填筑土料的现场碾压试验和现场抽样检验得出的数据是相对数据,是相对特定的工程、特定的试验设备、特定的试验手段、特定的试验方法得出的数据,所以用于现场取样试验的环刀、渗透仪、取样样坑、试验方法和碾压试验时用的规格尺寸要一致,试验的方法程序要一致,这样得出的试验数据才能真实反映填筑土料的压实情况。某工程现场控制指标只能用于本工程,不能用于另外的工程,对另外的工程只能作为参考。

10 大坝沉降量的计算和在施工中的处理方法

根据已建坝的统计分析,正常碾压的土石坝竣工后沉降量为坝高的0.2%～0.5%,如超过1%可能产生裂缝。大坝施工中的沉陷在施工过程中已基本完成,完工后大坝沉陷主要发生在一级坡,沉陷坝高的处理在一级坡上调整。在施工中的处理方法为:按照一级坡设计底宽不变,高度按照设计坝高加沉陷坝高,重新计算一级坡的坡比[3]。

11 推广标准化设计,有利于提高工程质量和降低工程造价

标准化结构设计是由当地 (国家、省或市)权威部门根据当地的情况对一些常规的、常用的、实用的结构,经专家论证是最经济合理、比较适用的建筑物结构,在一定范围进行统一并制作成标准图集进行发布,设计单位设计时按照这些标准图集进行设计。施工单位可以根据标准图集制作定型模板,制作的模板费用可以在多个工程中摊销,避免非标模板造成的浪费,同时可以提高混凝土的浇筑质量,标准化结构有利于工厂化生产,有利于统一设计标准和施工质量标准,降低工程造价。

1 邱力军.江川县病险水库普查报告[R].江川县水利局,2008.

2 邱力军.江川县石楼梯水库除险加固工程竣工报告[R].2008.

3 汪易森.水利水电工程若干问题的调研与探讨 [M].北京:中国水利水电出版社,2002.

4 SL274-2001,碾压土石坝设计规范[S].