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石门水库大坝构造剖析(下)


2020-07-27

连结:石门水库大坝构造剖析(上)

石门大坝横剖面解析

石门大坝座落在大汉溪中游一处石门隘口,大坝将左右两岸联结,从左右坝座沿坝顶中心画ㄧ条中轴线称为坝轴,来控制大坝填筑的方位。在坝轴中央河床最深处横切一个剖面,就如图二所示为最大横剖面。图中可看出有几个分区,最中央的是心层,心层两侧有滤层,再向上下游各有壳层,下游壳层又铺筑了好几层的排水层,最底下靠近基础面则铺设排水道,在上下游坡面顶部铺设抛石层,上游抛石层和壳层间另设有滤层,也称过渡层,可避免粗细悬殊土石之流失。坝基础还有隔幕灌浆。这幺多分区土石,究竟可分别发挥甚幺功能呢?首先我们要了解拦河筑坝蓄水须要抵抗哪些外力?这些分区土石有何特性可抵抗这些外力呢?

有哪些外力

主要外力来自于水压力、淤砂土压力及地震力。可细分为蓄水之高水头压力,库水渗流经大坝底部会产生上顶水压力,库水流经坝体也会产生渗流压力,坝前淤砂的土压力。另外,地震发生时对坝体之地震力(水平和垂直),库水和淤砂在地震时所产生的动水压力及动土压力,还有地震时坝体之异常沉陷、坝坡面之滑坡变形、甚至是否会发生坝体土壤液化等皆须考虑计算。

如何抵抗外力:石门大坝为分区辗压土石坝,如何抵抗上述的外力呢?

图二大坝横剖面图,可了解分区型土石坝主要由心层、壳层、滤层、排水层、及抛石层所组成,以下就各土石层的功能说明。

石门水库大坝构造剖析(下)

图二 石门大坝横剖面图(水利署北区水资源局提供)

1.大坝须有足够的安定性不会滑动坍塌变形:

石门坝体最大断面底宽 520m,高 133.1m,坝顶全长 360m,上游坡面 2.5 : 1(水平),下游坡面 2 : 1,坝体总体积 706 万立方公尺。其主要的体积是由壳层所填筑,壳层材料主要是由小于 3 吋 (76.2mm) 之砾石及砂组成,具有透水性。整体大坝庞大土石之本身自重即承担了抵抗外力最基本的安定力量。当然,坝体土石要有足够的抗剪强度,遇强烈地震时也不会坍塌变形等,在安定分析时都是最基本的考量。此外,我们也须对基础地质有充分的调查,岩盘强度须能承受庞大坝体自重的压力,使得基础不至被压碎而失稳滑动。不过因为土石坝的底面积相当大,对基础的压力都不高,土石料又能适应较大的变形,所以对基础承载力的要求不若混凝土坝那幺高。

2.大坝须能阻水:

我们的坝体是土石填筑而成,本身即是会渗水的,不像混凝土坝有很高的水密性,所以土石坝的构造就要考虑採用防止渗水的土料。心层即担负防渗阻水的任务,其係以具有较高的塑性,渗透係数很低的粉土黏土为主之细粒土料填筑辗压而成,可使绝大部分渗流水都被心层阻挡。

3.坝体须能排除入渗的水压力,避免发生管涌

心层虽然可阻水,但水库蓄水高水头之下仍有少部分水会通过心层往下游渗流,入渗坝体的水要设法儘速排除,以降低渗流压力,此时就有赖心层背后的滤层及壳层内的排水层,来导引水流至坝体基础面上的排水道排出至下游,以降低渗流的水力坡降。心层背后的滤层除了有排水功能外,还有保土的功用,如此,通过心层的渗流就不会带出细粒土料,如果心层及壳层土料被渗流带出就有可能形成管涌而造成溃坝(土粒被渗流水带走,导致土中形成集中水流的通道如管者,称为管涌。可见参考条目第四项洪如江教授所编写的连结。),滤层要能防止管涌,须具有透水及保土的功能,其土石料多採用小于 4 号筛的粗砂及细砂混合,200 号以下的粉土黏土不得大于 5%。而排水层则可加入部分较粗的砾石。

渗流水也会通过坝的基础向下游流动而造成对坝体的上顶水压力,会增加坝体的不安定或形成管涌,故在基础都会施作截水设施,使增加渗流路径,降低渗流的水力坡降。一般多採隔幕灌浆形成截水幕,也有採截水墙的(例如湖山水库大坝),或两个方法皆採用,须经坝基地质调查来决定。

4.库水洩降时要能防止坝体滑坡及管涌

水库的运用係蓄丰济枯,故水库蓄满水后会放水利用,水位逐渐下降,长时间蓄满水时,心层及上游壳层是饱和含水状态,当水位降低时,坝体内的水会向临水面渗流,便会造成坝体材料流失,坝坡面变形,甚至管涌滑坡。故在心层上游面及壳层与上游抛石层的交界面亦铺筑滤层,这些滤层都是有透水及保土的功能,可防止坡面管涌变形滑坡。又,水库遇紧急状况而须在短时间紧急洩降水位以确保大坝安全时,这些滤层更是保护大坝避免发生管涌的保障。

5.坝坡面要能抵抗库水风浪冲击及雨水沖蚀以保护坝体

坝体全部填筑辗压完成后,在坝体的上下游坡面以 30 公分至 100 公分左右的块石铺面,不须滚压。石门大坝上下游坡面均採抛石。近年来兴建土石坝之下游坡面多採植草绿化,以降低视觉景观冲击。

6.库水不允许自坝顶溢流

库水若越过土石坝顶漫溢向下游,则可能发生溃坝情事,故须有溢洪设施洩放洪水,以避免库水自坝顶溢流。土石坝坝体非属刚体,会有不均匀沉陷,坝体上不可兴建溢洪道,故于大坝左右岸山头开挖另建溢洪道或排洪隧道。混凝土重力坝(如雾社坝)或拱坝(如翡翠及德基拱坝)则将溢洪道直接兴建在坝顶。

以上的解析仅是针对坝体填筑之土石一般物理性质及其如何抵抗外力说明。当然,要建造一座土石坝的材料调查绝非这幺简单,坝址库区周边的材料数量是否足够?各类土石特性是否满足需求?筑坝材料的物理性质只是调查试验的起步,还须进一步进行强度试验、压密试验、透水试验、夯实试验、化学性质试验等。始能对筑坝之土石材料有充分的了解。


参考文献

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