研究分析某水利工程大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐陽銘

【摘要】本文以某水利工程大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為研究對象，文章首先對某大壩工程進(jìn)行概述，闡述了壩體設(shè)計(jì)選料要求，詳細(xì)探討了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對從事相關(guān)工作的同行具有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】水利大壩工程；混凝土面板；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自1985年開始，我國利用現(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(yàn)。

1、某工程概述

某水利大壩工程位于某干流上，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)。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(jì)與施工是本工程的重要環(huán)節(jié)。

2、壩體設(shè)計(jì)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，不像混凝土和易性、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。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(shí)，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(yàn)，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。

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(jì)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(shí)不流淌，低溫-45?；℃時(shí)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。

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1壩體分區(qū)及壩料設(shè)計(jì)。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(gè)均勻、穩(wěn)定的低壓縮性基礎(chǔ)，同時(shí)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(jì)要求選用質(zhì)地新鮮，堅(jiān)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(jià)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(jì)要求該料石質(zhì)堅(jiān)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(jì)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(shí)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(jì)。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(shí)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(gè)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(yàn)，并參照已建工程經(jīng)驗(yàn)，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(shí)，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。

冰的擠壓和凍脹對面板板間縫止水和混凝土表面都會(huì)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(gè)冬季的運(yùn)行，膨脹螺栓會(huì)被拔起，止水也會(huì)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、結(jié)束語

綜上所述，該混凝土面板堆石壩在遵循傳統(tǒng)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)同時(shí)，結(jié)合氣候特點(diǎn)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(gè)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]?；肖化文.鄧肯-張E-B模型參數(shù)對高面板壩應(yīng)力變形的影響[J].科技資訊，2004（6）.

[2]?；陸述遠(yuǎn)，唐新軍.一種新壩型——?；面板膠結(jié)堆石壩簡介[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，1998（2）.

[3]?；張電吉，湯平.尾礦庫土石壩穩(wěn)定性分析研究[J].科技資訊，2003（3）.

[4]?；蔡新，王德信，郭興文.清平面板堆石壩抗震分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，1996（2）.