山東某干流水利樞紐工程設(shè)計研究

摘 要：本文基于筆者多年從事水利工程設(shè)計的相關(guān)工作經(jīng)驗，以水利樞紐工程大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計為研究對象，論文首先分析了設(shè)計的需求，進(jìn)而詳細(xì)探討了結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后給出了運(yùn)行監(jiān)測結(jié)果，全文是筆者長期工作實踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：水利 樞紐 工程 混凝土面板 堆石壩 設(shè)計

中圖分類號：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（a）-0063-02

混凝土面板堆石壩對地形和地質(zhì)條件都有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，并且施工方便、投資省、工期短、運(yùn)行安全、抗震性好，因而其作為壩型選擇具有很大的優(yōu)勢，面板堆石壩的發(fā)展也隨之取得了很大的成功。據(jù)統(tǒng)計，截至2006年，全世界建成在建及設(shè)計中，壩高超過50 m的面板堆石壩共計約390座。自1985年開始，中國利用現(xiàn)代技術(shù)修建混凝土面板堆石壩雖只有20多年，但數(shù)量、規(guī)模和技術(shù)等方面均處于世界前列，總數(shù)已超過40%。這些壩為面板堆石壩在抗凍、抗裂等方面的技術(shù)，為面板堆石壩的發(fā)展提供了非常寶貴的經(jīng)驗。

1 工程簡介

某水利樞紐工程位于山東某干流上，壩址以上流域面積2970 km2，多年平均年徑流量12.08億m3，總庫容為2.105億m3，電站裝機(jī)為60 MW，工程等別為Ⅱ等。

樞紐工程由混凝土面板堆石壩、泄洪洞、溢洪道、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等建筑物組成。大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂長270 m，壩頂高程547.40 m，防浪墻頂高程548.40 m，壩頂寬6 m，最大壩高56.60 m，上游壩坡1∶1.4，下游壩坡1∶1.3?；炷撩姘搴穸?.3～0.5 m，址板厚0.8 m。

壩體分為墊層區(qū)、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)，在周邊縫下游部位設(shè)有特殊的墊層小區(qū)，如圖1所示。

該壩址日內(nèi)溫差大，孔隙水結(jié)冰充分，凍融循環(huán)次數(shù)多，面板不僅要有足夠的強(qiáng)度和防滲性、耐久性、抗凍性等，柔性及嵌縫材料、橡膠止水帶等也必須有較高的特殊要求，因此面板、趾板等關(guān)鍵部位的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工是本工程的重要環(huán)節(jié)。

2 壩體設(shè)計選料要求

2.1 面板混凝土原材料及性能指標(biāo)

由于面板混凝土的耐久性直接決定面板的壽命，而耐久性又受日曬、風(fēng)吹、雨淋、沖刷抗凍融及碳化、疲勞、溶蝕、各種有害離子的化學(xué)反應(yīng)、鋼筋銹蝕膨脹等各種內(nèi)、外因素影響，不象混凝土和易性、抗裂性，能在短期內(nèi)能反映出來，因此合理選擇混凝土原材料，是保證其耐久性正常發(fā)揮、增加面板壽命的主要措施。（如表1）

由表1知，該工程混凝土材料參數(shù)選擇均比較嚴(yán)格。在增加混凝土強(qiáng)度的同時，提高其抗?jié)B抗凍標(biāo)號，保證其具有一定的含氣量，以滿足抗凍要求。

與同期一般工程相比，該工程通過試驗，對混凝土水泥材料強(qiáng)度、水灰比等原材料指標(biāo)進(jìn)行了選擇與調(diào)整，結(jié)果如表1所示。

利用上述材料的用量及指標(biāo)控制，保證了施工后的面板混凝土性能指標(biāo)均達(dá)到二級配R250S8D250的要求，這一要求與其后頒布的新規(guī)范C25W8F300要求基本相同。

2.2 止水系統(tǒng)材料

面板接縫主要分為周邊縫、伸縮縫兩類。周邊縫是趾板和面板間接縫。伸縮縫可分為防浪墻和面板間接縫，面板之間接縫（分受拉縫和受壓縫），趾板之間接縫和防浪墻之間接縫。該工程壩址區(qū)，多年平均氣溫2.2 ℃，最低氣溫-42.6 ℃，最高氣溫34.4 ℃，溫度變幅大，因此工程設(shè)計中對柔性嵌縫材料、橡膠止水帶等提出了較高要求，如要求柔性嵌縫材料高溫60 ℃時不流淌，低溫-45 ℃時不脆裂，變形率大于40%，耐久性好，滲透系數(shù)小于i×10-8 cm/s等。本工程止水系統(tǒng)材料性能見表2。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 壩體分區(qū)及壩料設(shè)計

根據(jù)該工程各種筑壩材料的性質(zhì)和面板壩的工作條件，混凝土面板以下壩體分為墊層區(qū)、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)，在周邊縫下游部位設(shè)有特殊的墊層小區(qū)。

墊層區(qū)主要為混凝土面板提供一個均勻、穩(wěn)定的低壓縮性基礎(chǔ)，同時滿足滲透穩(wěn)定準(zhǔn)則及嚴(yán)寒地區(qū)墊層料透水準(zhǔn)則。設(shè)計要求選用質(zhì)地新鮮，堅硬且具有較好耐久性的石料經(jīng)過加工而成，最大粒徑不超過8 cm，小于0.5 cm的含量為25%～40%，小于0.01 cm的含量不大于5%，連續(xù)級配料，Cu>20，滲透系數(shù)K=i×10-3 cm/s。施工中將墊層料與過渡層料鋪筑和碾壓結(jié)合，倆區(qū)壩料同步填筑碾壓。既達(dá)到了面板有均勻、穩(wěn)定的支撐，又達(dá)到了節(jié)約用料降低造價的目的。

主堆石區(qū)為壩的主體，其石料的質(zhì)量、密度、沉降量的大小直接關(guān)系到面板大壩的安危，設(shè)計要求該料石質(zhì)堅硬、級配良好，最大粒徑不超過60 cm，小于0.5 cm的含量不超過20%，小于0.01 cm的含量不大于5%，連續(xù)級配料，Cu>15，次堆石區(qū)主要用于保護(hù)主堆石體及其自身邊坡的穩(wěn)定。主堆石與下游堆石間的大量不均勻變形將使面板受彎而形成較大拉應(yīng)力，成為引起面板裂縫的重要因素之一，因此本工程將主堆石與下游堆石區(qū)的界限設(shè)置成自壩軸線附近向下游傾斜坡度設(shè)計為1∶0.5，并將主堆石及下游堆石采用同一料源和同一巖性的材料，使上下游堆石體的模量差盡量減小。

該工程采取了改善堆石壩結(jié)構(gòu)，使上下游堆石體的模量差盡量減小，加強(qiáng)壩體堆石碾壓，選擇有利施工時段，盡量避開冬季施工。墊層區(qū)滿足滲透穩(wěn)定準(zhǔn)則及嚴(yán)寒地區(qū)墊層料透水準(zhǔn)則等措施，保證了壩體填筑質(zhì)量及結(jié)構(gòu)運(yùn)行的要求。

3.2 混凝土面板、趾板及止水設(shè)計

大多數(shù)觀測資料表明，在水荷載作用下，面板的大部分區(qū)域受壓，僅在壩頂和近岸邊處有拉應(yīng)變。面板應(yīng)變和堆石體變形特性密切相關(guān)，與其厚度關(guān)系不大。該工程的混凝土面板厚度采用連續(xù)變截面形式，最大厚度為0.5 m，最小厚度為0.3 m。面板間伸縮縫只設(shè)縱縫，不設(shè)永久水平縫，面板垂直縫間距河谷中部為12 m，兩岸垂直縫間距為6 m，面板最大板塊斜長91.05 m。在面板中部設(shè)單層雙向鋼筋，適當(dāng)增加面板鋼筋含量（每向配筋率0.4%）。并選擇面板混凝土的有利澆筑時機(jī)，避免混凝土早凍。

趾板是以灌漿帷幕為主的地下防滲體系與地上防滲結(jié)構(gòu)的連接部位，是一個承上啟下的防滲結(jié)構(gòu)。采用平趾板型式布置，板厚0.8 m。趾板線由面板底面與趾板下游面的交線控制。本工程趾板寬度依據(jù)基巖風(fēng)化、破碎情況，允許滲透比降和基礎(chǔ)處理措施綜合確定，趾板最大寬度6.0 m，最小寬度4.0 m，趾板每12 m設(shè)一道伸縮縫。為保證趾板與基巖的可靠連接，通過錨桿錨固試驗，并參照已建工程經(jīng)驗，在趾板內(nèi)設(shè)置Φ28錨筋，插入巖石深度3.5 m，每1.2 m2布置一根。

周邊縫要承擔(dān)較大的三向變位和水壓力，易于因止水失效而形成滲漏。堆石體的沉降引起面板的變形，面板與趾板位移最大，是薄弱部位。周邊縫采用柔性連接，在周邊縫處設(shè)置三道止水，表面為柔性填料止水，中部為橡膠止水，底部為紫銅片止水。在接縫上還設(shè)置了連續(xù)橡膠管，以期在接縫產(chǎn)生較大張開變形時，橡膠管被壓入接縫內(nèi)，柔性材料也隨即被壓入而達(dá)到密封的目的。

河谷中部面板之間接縫在底部設(shè)一道紫銅止水，趾板之間接縫設(shè)一道橡膠止水，岸坡附近面板接縫、防浪墻和面板間接縫、防浪墻之間接縫設(shè)置表面柔性填料止水和底部紫銅止水。

冰的擠壓和凍脹對面板板間縫止水和混凝土表面都會產(chǎn)生破壞，如果大壩面板表面止水的膨脹螺栓都裸露在外，水庫經(jīng)過一個冬季的運(yùn)行，膨脹螺栓會被拔起，止水也會受到不同程度的破壞。針對該破壞問題，該工程研究改進(jìn)了表面止水與面板的聯(lián)結(jié)方式，面板表面止水采用平滑表面。既避免了膨脹螺栓為冰蓋拔出破壞，也避免了止水被冰塊破壞。

4 主要運(yùn)行監(jiān)測結(jié)果

4.1 壩體沉降

大壩的沉降監(jiān)測分兩個高程、五個測點進(jìn)行。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：大壩的沉降量隨大壩填筑高度增加而增大，符合一般規(guī)律。當(dāng)大壩填筑到頂后，各測點沉降量增加很少，蓄水后各測點沉降量也沒有明顯增加，即大壩后期沉降不會很大?？⒐て谧畲蟪两迭c在壩軸線處，最大沉降值為20.2 cm，占壩高（56.6 m）的0.38%，蓄水期最大沉降值為25.2 cm，占壩高（56.6 m）的0.47%，在國內(nèi)同類工程中屬偏小。

4.2 壩體水平位移

通過各高程處引張線水平位移計對壩體水平位移進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：測點水平位移變化有規(guī)律，施工期的位移量總體上向上游移動，蓄水后位移方向指向下游，且水平位移均不大，多年后總體趨于穩(wěn)定。

4.3 面板周邊縫位移及滲流監(jiān)測

利用7個測點對周邊縫的沉降、剪切及開合度過程線進(jìn)行測量，測量發(fā)現(xiàn)本工程混凝土面板周邊縫的變形較小，即周邊縫止水破壞的可能性較小。

滲漏監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，滲漏量為13.9×10-3 m3/s，年滲水量為44萬m3，小于設(shè)計滲漏量。

5 結(jié)語

經(jīng)過大量的試驗研究及參考已有工程經(jīng)驗，該混凝土面板堆石壩在遵循傳統(tǒng)理念進(jìn)行設(shè)計同時，也結(jié)合氣候特點采取了一些相應(yīng)的改進(jìn)措施，保證了大壩能較好的適應(yīng)極端氣候運(yùn)行的要求。水庫蓄水后經(jīng)歷了幾個嚴(yán)冬，通過大壩的沉降、位移、滲流量等參數(shù)監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)，大壩的總體運(yùn)行狀況良好。

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