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水利水电工程中的岩土工程问题

蒋国澄

(中国水利水电科学研究院)

        中华人民共和国成立后,为了解决水旱灾害和开发水利水能资源,修建了大量水利水电工程,如各种大坝、水库、水电站、水闸、堤防、渠道、运河等。长江三峡水利枢纽、黄河小浪底水利枢纽、南水北调工程、大江大河上的巨型梯级水电站,在坝高、工程规模、技术难度等方面都处于世界前列。在这些工程的勘测设计和施工运行过程中,涉及众多岩土工程问题,促进了岩土工程试验研究和技术开发的进展。
        (1)勘测和试验
        建国初期,百废待举,因工程建设的需要,首先对土工勘测及试验设备及技术进行研制和推广。原水利部南京水利实验处研制了标准贯入试验仪、触探仪、软土的固定或自由活塞式原装取土器、十字板剪力仪等现场试验设备,试制了全套试验室物理力学性试验设备,编制了土工试验手册,开办了多期土工试验学习班,在国内推广了常规的土工现场和室内土工试验。
        在文化大革命前,为进行基于有效应力原理的土力学问题的研究和应用,试制了能测量孔隙水压力的三轴试验仪,并能进行应力途径的试验、测量非饱和土的孔隙气压力等。同时还研制了现场测量土体孔隙水压力的设备,在土坝及软土地基中应用。为用有效应力原理研究砂土液化的需要,研制了世界上第一台动力三轴仪,几经改进,现已成为土动力学的通用试验设备。渗流的三向电模拟、水槽试验和渗透稳定试验设备已相当成熟。
        1978年全国科学大会后,科技工作得到复兴。结合高土石坝及深厚覆盖层上高坝的建设,研制了适应堆石料和砂砾石等粗粒料的高压大型室内试验设备,如直径30cm、50cm、70cm的大型三轴试验仪、直径30cm的动静两用三轴试验仪、大型压缩仪、平面应变仪、真三轴仪、流变试验仪等设备,可以进行高压和复杂应力途径的试验。还研制了水力劈裂试验仪、空心圆柱试验仪等设备。可以模拟原型应力状态的土工离心模型试验机由多家单位研制成功。
        根据工程需要,还研制了成套土工合成材料性能试验设备,土工建筑物、边坡及地基原型监测设备,砂砾石覆盖层取样及现场试验设备等。
        (2)高土石坝
        土石坝坝型很多,但高土石坝以土质心墙堆石坝和混凝土面板堆石坝两种坝型为主。沥青混凝土及土工合成材料防渗的土石坝也发展到100m量级。
        对土质心墙堆石坝,主要是防渗体材料的研究和应用。实践证明有一定粗料含量的各种类型的砾石土、风化料,具有抗剪强度和变形模量较高、与坝壳材料间的变形较为协调、能承载重型施工机具、对含水率不太敏感、抗渗透变形的能力较强等优点,而在高坝中广泛采用。针对料源情况,常需进行含水率和级配的调整,如瀑布沟坝用条筛筛除60~80mm以上颗粒,糯扎渡、双江口等坝在土料中掺入一定粗料以改善级配。这些坝在设计过程中,都进行过系统的室内和现场的试验,包括碾压试验、掺料试验、室内试验等。
        对混凝土面板堆石坝,自1985年开始用现代技术进行建设以来,其安全性、经济性、适应性已经得到共识,现已成功建设了200m级的高坝,并研究250~300m高坝建设中的关键问题。对筑坝材料及坝料分区、坝料特性及填筑标准、面板及趾板混凝土性能、接缝止水结构和材料、地基处理、施工技术等问题都有系统研究,制定了设计施工规范。中国在混凝土面板堆石坝的建设规模、坝高、技术难度等方面已处于国际前列。
        高土石坝的主要问题是渗流、稳定和变形控制。土质边坡的稳定分析常用的是以条分法为基础的极限平衡方法,已有严格的通用条分法及自动搜索最小安全系数的计算程序。同时用可靠度方法进行边坡稳定分析也有一些研究成果。三维有限元应力变形计算有较大发展。计算用的土的本构关系常用的有邓肯-张的非线性弹性模型、清华的解耦K-G模型、沈珠江的双屈服面弹塑性模型等,都有较完善的参数确定方法、计算程序和前后处理功能。由于经验的积累,各种方法的计算结果规律性较为接近,一般邓肯-张模型计算结果较大,而弹塑性模型计算值较小,在实用上都是可以接受的。近年还开发了渗流和应力变形耦合的有限元分析方法、以有限元法为基础的稳定分析方法等。但目前有限元法计算的结果还处于定性分析的阶段,还没有定量评价的准则。由于原型观测资料的积累,做了不少反馈分析工作,对积累资料和经验是十分有益的。以有效应力为正值作为高土石坝心墙发生水力劈裂的准则已为试验和实际工程所证实。
        (3)堤防工程
        堤防是河流中下游地区防洪的主要措施。中国筑堤防洪已有几千年的历史,其总长度达2.7×105km。堤防工程基本上是长期形成的历史产物,规划布置不尽合理,地基地质条件复杂,质量好坏不等,特别是堵口抢险时形成的堤段更为复杂。据长江委统计,险情主要是堤后管涌引发的破坏,约占60%以上,堤身失稳约占14%。此外堤防上游面河岸和滩地的崩塌也是重大安全问题。
        因此堤防工程的首要任务是研究渗流破坏规律和防渗措施。除开展理论分析和模型试验外,还深入现场进行调查研究,揭示各种地质条件下的渗透破坏原因和规律,以及评价防渗措施的有效性。首先是快速而廉价垂直防渗设施,如深层搅拌水泥防渗墙、各种薄型混凝土防渗墙、垂直铺设的土工膜防渗等。下游的排水减压井也是防止渗透破坏的有效措施,但淤堵问题一直是影响其推广的关键,新型的可拆卸、冲洗和更换的减压井在长江大堤加固工程中的应用,其良好的运行效果,有望解决这一问题。
        崩岸的测量和治理也有新的进展。用GPS定位和回声测深仪、条带测深仪、地层剖面仪等现代技术,可以形成水下地形图,并分辨抛石和原河床,为了解河道水下的冲淤变化提供依据。防止崩岸的方法除抛石以外,还开发了水下铰链沉排、土工模袋和土工布砂袋等新技术。在江西长江江心州、棉船州等崩岸重灾区建设的这些重点工程,三年来江岸一直保持稳定。
        中国还参照国外经验,进行堤防安全性评价的调查和研究,建立了长江中下游堤防的工程安全性调查和评价的指标体系,提出了长江堤防工程安全性综合评价模型,并开发了系统软件,与GIS系统相结合,实现堤防工程安全评价的自动化和可视化。但这些尚待在应用中进一步完善。
        (4)地基处理
        对于砂砾石覆盖层主要是防渗和加密处理。1958年引进混凝土防渗墙技术,先后在青岛月子口水库和北京密云水库试验成功柱列式和槽板式混凝土防渗墙;1958年于毛家村水库试验成功袖阀套管法砂砾石灌浆技术,并在密云水库深覆盖层地段做了一段灌浆帷幕,都已正常运行近50年。由于技术和经济上的原因,混凝土防渗墙得到推广应用,而灌浆技术则用得较少。高压喷射灌浆技术从旋喷发展到定喷和摆喷,形成的柱列和板墙可以起防渗作用,由于其价位低而在中小型工程及临时性工程中应用较广。无粘性土的加密主要采用振冲和强夯。近年来结合堤防工程的需要,开发了一些建造薄防渗墙的设备和技术,取得明显的技术经济效益。
        对于软粘土地基,主要有砂井排水预压、振冲置换等加固方法,并采用筏式基础加大上层建筑物刚度以适应地基沉降;应用补偿基础原理加大基础埋置深度以提高地基承载力等结构措施。桩基也是常用的措施,但采取地基和上层结构相结合的措施,在沿海滨湖地区成功建造了众多大型水闸。
        对于易液化砂土的处理,除挖除、振冲加密、强夯等措施外,也常用加压重、围封等措施增加其约束应力,以结构和土工相结合的方法进行处理。
        (5)土动力学
        水利水电系统是较早开展砂土液化研究的单位。1959年就提出在有效应力基础上研究实际应力状态下砂土液化问题,研制了振动三轴仪,对振动孔隙水压力作定量分析,总结出应力状态、砂土密度、振动强度、先期振动、排水状态等因素对孔隙水压力的影响,并计及振动孔隙水压力,将无粘性土液化作为其动力稳定性的问题进行研究。
        近年来土动力学研究发展很快。室内试验、模型试验、计算分析、现场试验和调查工作都有进展。试验方面开发了动静耦合的三轴试验方法,建立动静耦合的本构模型和三维有限元计算程序。建立了真非线性的三维有限元动力分析方法和计算程序。使土体动力分析更为接近实际。振动台上的模型试验也得出土石坝遇地震时的一些定性规律,并据此提出了一些抗震措施,在一些工程上得到应用。
        土石坝地震残余变形是影响其安全性的主要问题之一,也在参考国外经验的基础上提出了计算方法。
        由于中国为强地震频发的国家,水利水电工程位于强地震区的很多,结合实际工程进行研究,解决具体工程问题,任务极为繁重。如小浪底、瀑布沟等高土石坝地基中的夹砂层的液化问题,吉林台等土石坝坝体抗震问题等,都是经过研究而得到妥善解决的。
        (6)环境岩土工程
        目前中国环境岩土工程尚在发展阶段,主要工作是固体废弃物处理。由于火电厂排出的煤灰数量巨大,需要堆放场所,如处理不好,会对环境造成污染,特别是对周围地下水的污染。因此水利科技工作者对煤灰的运输与存放、灰场的规划设计、污染物的迁移规律、地下水的综合管理、堆存煤灰的物理力学性质等做过研究。建立了不同工况下地下水挟带污染物的运移规律及其预测方法,建立预报模型,评价污染物与地下水隔离的措施,除灰方法对环境影响的评价,建立灰场的规划设计方法等。
        滑坡的预测预报及治理也是环境岩土工程的主要课题之一。水利水电工程中常遇到不稳定的天然边坡,或在边坡开挖和水库水位升降后引发边坡失稳,都需要进行研究和处理,包括边坡稳定性分类,影响边坡稳定性的因素,边坡稳定性的监测、理论分析、数值计算、模拟试验,以及计算参数的确定等方面。结合水利水电边坡工程,进行过系统研究,
        (7)特殊土问题
        水利水电工程建设遍及全国,常遇到一些物理力学性质之间关系与一般粘性土不同的异常现象,被称为特殊土,如红土、黄土、膨胀土、分散性粘土、冻土等。
        南方红土是一种粘土颗粒含量极高、低密度、高含水率而力学性质相对较好的残坡积粘土,加和不加分散剂测定的粘土颗粒含量相差极大,其比值一般在20以上,比重高达2.8-2.9,流塑限都高而塑性指数不高,渗透系数约10-7 -10-6cm/s,比一般粘性土大1-2个量级,具有中低压缩性和较高抗剪强度,应力应变关系没有突变,在高压力下呈塑性破坏。这是由于在成土过程中形成以高岭石矿物为主,含有大量铁铝氧化物的红色粘土,在酸性介质条件下,形成对水稳定的团粒结构所致。可以直接应用试验所得力学性指标进行设计计算,填筑标准也不必要求高密度。但红土在高压力下变形并不停止,对高坝应予适当考虑。以双比重计法测定团粒度可以对红土的团粒特性有初步了解。
        膨胀土是一种能遇水膨胀、脱水收缩的粘性土,其胀缩性来源于不稳定结构的粘土矿物、低价交换性阳离子和碱性环境,如土的胀缩达到一定数量以致可能对工程有危害时,就称之为膨胀土。鉴定方法有测定膨胀势以判定其膨胀性强弱的定性方法,及测定给定密度、含水率、应力状态下的胀缩变形的定量方法,而据此进行工程处理。长江科学院等单位为南水北调工程的需要,对沿线膨胀土做了大量室内和现场的试验研究,对膨胀土作为筑坝材料也有相应结论。
        分散性土与膨胀土是同一类型的土,强膨胀性土就可能有分散性。分散性土在遇水后可分散成原级颗粒,极易悬浮于水中而流失,造成严重后果。形成分散性要有一定数量的蒙脱石类不稳定粘土矿物、没有能抑制分散性的胶结物质及碱性环境。鉴定方法以针孔试验鉴定其抗冲蚀能力,双比重计法鉴定其分散度较为直接和可信。处理方法有用石灰、水泥等可抑制分散性的物质改性、换土使其与水隔离、用严格的反滤层保护等,以保证其安全运行。
        黄土广泛分布于中国西北华北地区,其主要特征是粉粒含量大,炭酸钙含量高,原状黄土有大孔隙,垂直节理发育,孔隙率可达33%~64%,天然含水率低,一般在10%左右或更小,在干燥状态下因毛管力及盐类形成的胶结力而形成低密度的亚稳结构,可以将天然土体视为一种欠压密状态,是黄土湿陷潜势的内因。在浸水后胶结物软化,结构崩溃,而使这种潜势变为现实的湿陷。对黄土用于筑坝材料,其天然结构已经破坏,压实到高密度就可避免湿陷的危害。天然地基要预浸水和加密以消除其欠压密状态,或用灌化学浆液或热处理使黄土结构稳定下来。
参考文献
李广信等编写,岩土工程.当代水利科技前沿(第九章).北京:中国水利水电出版社,2006