俄罗斯低土石坝的加固处理

[] A.L.

在俄罗斯，大量低水头水电站建在中小河流上，坝型均为土石坝，多数坝都是几十年前修建的。建坝材料就地采取壤土和砂壤土等，料源丰富，料场距坝址近，经济合理。但在长期运行中，受自然气候等因素的影响，大坝主体填筑料已经发生不同程度的损坏，病害还在持续发展，甚至有发生溃坝的危险，因此有必要采取有效可行的维护和修复措施。

图1所示为建在小河上的低水头水电站土坝的典型剖面，设计时大坝下游坡主要考虑降水冲刷稳定问题。为防止气候条件所产生的这种侵蚀，通常在下游坡面种植多年生草本植物。 然而由于年久失修，坝顶和下游坝坡往往发生两种形式的破坏，一种是水通过坝体的渗透作用造成的,另一种是在高水位期和洪水期间库水漫顶造成的。

图1 低水头水电站土坝横剖面

研究表明，全区所有的土坝中超过35%的土坝运行状态不佳，需要立即修复或重建，避免发生进一步可能的破坏。

为了避免低水头土坝和小型水电站设施发生破坏，并在适当的时候进行修复，首先要安装移动监测仪器，监测建筑物的运行状况。

下一步就是要根据监测数据研究提出有效的修复方法，提高低土坝运行的可靠性。提出的土坝维修及翻新方案应具有建设性，能够防止坝顶和下游坝坡发生破坏，这就需要开展一系列的研究，为水电站的重建服务。

为了确保这些小型土坝未来的安全运行，研究人员提出了在土坝建设中采取的两种措施：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，而不使用细骨料。粗粒多孔混凝土用推土机推平，使之平铺在建筑物表面，不需要支护。使用粗粒多孔混凝土的技术在其他文献中有详细描述。

为了提高土坝的可靠性，特别是下游坝坡的稳定性，建议在下游坝坡粗粒多孔混凝土下铺一层反滤层。 粗粒多孔混凝土具有良好的排水功能，有效地保护下游坝坡，并将坝体中的渗水排出。

2 土工袋

这种方法扩展了水坝的功能，具体来说就是使得土坝产生了额外集中荷载，能够承受库水的压力，增加了水库的防洪库容，使得洪水可以安全地流过坝顶和下游坝坡。当修复方案需要对坝顶和下游坝坡进行特殊加固时，即可以采用土工袋这种方法。

为了使坝顶和下游坝坡的加固设计具有竞争力，必须满足以下主要条件：

(1)成本低;

(2)施工快捷，应当制造一种特殊的设备，适合在斜坡上施工；

(3)施工设备易于拆卸和维修，主要的加固构件应能重复利用;

(4)能够有效地消散下泄水流的能量。

对土石坝坝顶和下游坝坡现行加固方案的研究表明，这些方案存在各种各样的解，其中大多数存在缺陷。这些传统技术方法的主要缺陷是消耗材料多、实施复杂、成本高。

作者认为，在坝顶及下游坝坡使用土工袋进行加固处理，可以显著减少这些缺点。用土工合成材料制成土工袋，袋内填充砂和土。无纺土工布材料制成的土工袋透气透水，挖泥船挖出的泥浆通过软管装填到土工袋中，水通过透水的土工材料排走。土工袋也可以用挖土机械填充，如挖掘机。 填充后的土工袋横截面是一个复杂的曲面，具体取决于充填料的性质和装填设备产生的压力。

SGASU发明的这种设计，用土工袋作为坝顶和下游坝坡的防护，设计方案如图2所示。

图2 溢流土坝设计方案

土工袋的设计特色概括如下：

(1)填土土工袋增强了坝顶及下游坝坡挡土和挡水结构的功能。

(2)在土工袋和坝体填土的接触带，为防止土颗粒被冲蚀掉，铺设无纺土工布作为反滤。

(3)必要时，为确保土工袋的稳定性，沿坝体内土工袋边缘布钢筋网和锚固设施。

传统的设计方案耗材多、结构复杂、成本高。提出的土坝新设计方案，使用廉价的土工袋，利用当地材料填充，施工设备(如挖泥船)效率高，避免了传统设计方案的这些缺点，满足了快速和方便施工的要求。

为了获得这种土坝设计对水流过下游坝坡时的水力条件和水流下泄时消能系统参数的影响等资料，进行了模型试验。模型试验使用流线槽进行，玻璃槽段长5.6 m，宽0.23 m，高0.9 m，比例1∶20。

要模拟水流过土坝的水力学特征，所建立的模型需要在几何形态、运动学和动力学上与实际大坝具有相似性，畅流的标准相似方程通常以下式表示：

(1)

式中，Fr和Re表示流体力学相似准则。

为了确定槽中水流的参数，在模型槽中的上下游分别设置了观测点，观测水位和水深。观测重复多次，并计算各次测量值的平均值。在第一跃后水深区内的水流深度用下式计算：

(2)

式中,q表示单位流量,m3/s；h2表示第二跃后水深，m。

试验数据经过处理，结果以特性曲线的形式表达，说明这些参数与相对单位下泄流量有关，并用下式表示：

(3)

式中,q为单位流量，m2/s；P为溢流坝高，m；H0为坝顶水压，m。

相对单位排泄量与相对跃后水深的关系

h=f(q)

(4)

大坝模型的台阶状下游坡采用不同斜率(m)的曲面构件建成，根据大坝下游坡的实际情况分别取1、2、3。相对跃后水深用下式计算：

h=h2/h1

(5)

式中,h1和h2分别为第一和第二跃后水深。

在其他条件相同的情况下，对下游坝坡为台阶状和斜坡状进行对比分析发现：在研究的相对单位下泄流量变化范围内，在曲面构件形成的台阶状下游坝坡的第一跃后水深h1比在斜坡状下游坝坡的高20%～30%，而第二跃后水深h2前者比后者低20%～25%。据此计算的相对跃后水深值随着斜率的增加而降低：m=1时,减少35%～50%；m=2时，减少40%～55%；m=3时，减少45%～60%。

结果证实，所提出的由曲面构件形成的台阶状下游坝坡的大坝设计方案减缓了水流过下游坝坡的速度。因此可以确定，台阶状下游坝坡可以有效地消散下泄水流的动能。

由于提出的设计方案具有成本低，维护简便等特点，同时能很好地消散下泄水流的能量，因而具有较强的竞争力。

3 结 论

低土坝设计使用寿命较长，然而随着时间的推移，坝体逐渐发生损坏。为了确保安全运行，应对坝顶和下游坝坡进行翻新，并对下游坝坡进行加固，防止进一步破坏的发生。

修复工作时，选择使用了粗粒多孔混凝土或充土土工袋形成坝壳，洪水来临时可以直接漫过坝顶和下游坝坡。

这种修复方案具有几个优点：比加固下游坝坡的成本低，施工技术简便，加固构件在短期内可以拆卸、维修或重复使用。

水力模型研究表明，这种新型的溢流坝设计方案可以更好地消散下泄水流的过多动能，曲面土工袋形成的台阶状下游坝坡比斜坡状下游坝坡多消能35%～60%。