水利工程大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾點探討

周鶴翔

（中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

水利工程大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾點探討

周鶴翔

（中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

因為水利工程功能作用的特殊性，大壩結(jié)構(gòu)經(jīng)常受水流沖刷，受外界各因素干擾影響大，如果設(shè)計施工不當，很容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，產(chǎn)生重大的經(jīng)濟損失，情況嚴重的甚至會發(fā)生安全事故?；谒こ檀髩问┕ひ?，對結(jié)構(gòu)進行有效設(shè)計，確保施工結(jié)果可以達到專業(yè)要求，文章對此進行了簡要分析。

水利工程；大壩；結(jié)構(gòu)設(shè)計

水利工程行業(yè)發(fā)展迅速，逐漸有更多新型技術(shù)與材料被應(yīng)用其中，對進一步提高工程施工效果具有重要意義。尤其是大壩結(jié)構(gòu)的設(shè)計施工，因為其功能性的特殊性，為延長其服務(wù)年限，保證其具有良好的運行效果，必須要結(jié)合作用要求，以及施工特點，做好各設(shè)計要點的控制，提高設(shè)計方案的合理性與可操作性，減少各類問題的發(fā)生，保證施工結(jié)果達到專業(yè)標準。

1　水利工程大壩結(jié)構(gòu)分析

大壩作為水利工程重要組成部分，其所處環(huán)境比較特殊，需要承受的荷載較大，且很容易受到外界各因素的干擾，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，會加大質(zhì)量隱患出現(xiàn)的可能性?；诖?，為充分發(fā)揮水利工程大壩功能，延長其服務(wù)壽命，必須要重視結(jié)構(gòu)設(shè)計管理，提高設(shè)計方案的合理性與科學性，在降低施工難度的同時，提高施工效果，保證結(jié)構(gòu)具有抵抗外力影響的能力。水利工程施工環(huán)境比較復(fù)雜，且因為多處于野外環(huán)境，受地質(zhì)地形影響嚴重，要重視大壩結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計，提前對現(xiàn)場進行地質(zhì)勘察，將勘察結(jié)果作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。隨著水利工程規(guī)模的加大，大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計難度也不斷提高，且近年來水患問題嚴重，均對大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更為嚴格的要求。而大壩結(jié)構(gòu)一旦施工完成后，如果出現(xiàn)質(zhì)量問題，處理難度比較高，返修工作難以有效展開，因此要求結(jié)構(gòu)設(shè)計具有高度的合理性，可以適應(yīng)地質(zhì)與氣候環(huán)境，有效抵消外界因素的干擾，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)所具有的功能，達到預(yù)期的效果。

2　水利工程大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

2.1工程概述

以某水利工程為例，對其大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析。壩址以上流域面積2860km2，多年平均年徑流量12.32億m3，總庫容量2.314億m3，電站裝機60MW，工程等別為Ⅱ等。工程組成主要包括混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪洞、發(fā)電引水系統(tǒng)以及電站廠房等，其中壩頂長280m，壩頂高程552.3m，防浪墻頂高程550.2m，壩頂寬6m，最大壩高56.8m，上游壩坡1∶1.4，下游壩坡1∶1.3［1］。且混凝土面板厚度0.3～0.5m，趾板厚0.8m。壩體分為墊層區(qū)、主堆石區(qū)、過渡層區(qū)、次堆石區(qū)以及周邊縫下游設(shè)置的特殊墊層小區(qū)。工程壩址日內(nèi)溫差大，孔隙水結(jié)冰充分，存在多次凍融情況，因此壩體所選面板應(yīng)具有較高的強度、抗凍性、耐久性以及柔性等特點，可以完全滿足大壩結(jié)構(gòu)施工要求。

3　壩體材料選擇

3.1面板混凝土

面板服務(wù)壽命主要由面板混凝土耐久性決定，在大壩服務(wù)過程中，面板會受氣候因素以及各種物理因素干擾，如風吹日曬、沖刷抗凍融、溶蝕、疲勞、碳化等，所產(chǎn)生的影響并不會直接表現(xiàn)出來。因此，在選擇面板混凝土材料時，需要保證其具有良好的耐久性，對延長其服務(wù)壽命具有重要意義。可以選擇多種性能材料，通過對工程建設(shè)要求進行分析，對比分析后選擇最為合適的材料。且為充分發(fā)揮材料所具有的性能，還可以根據(jù)實際情況，對材料強度、水灰比等指標進行調(diào)整。

3.2止水材料

面板接縫包括周邊縫與伸縮縫兩種，其中周邊縫即面板與趾板間接縫，而伸縮縫又可以分為防浪墻與面板間接縫、趾板間接縫和防浪墻間接縫以及面板間接縫。本工程壩址區(qū)多年平均氣溫2.5℃，雖低氣溫可達-41.3℃，最高氣溫35.2℃，溫度浮動大?；诖嗽谶x擇止水材料時，需要確保其可以滿足工程施工要求，要求所選柔性嵌縫材料60℃環(huán)境下，不會出現(xiàn)流淌現(xiàn)象，且低溫-45℃不會脆裂，變形率大于40%，具有較高的耐久性［2］。

4　水利工程大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

4.1大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合工程所選筑壩材料性質(zhì)，以及面板壩工作條件，在對大壩結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，將其劃分為墊層區(qū)、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)間以及周邊縫下游部位特殊墊層小區(qū)［3］。

4.2材料選擇

（1）墊層區(qū)。墊層區(qū)主要作用是為混凝土面板提供均勻性與穩(wěn)定性高的地壓縮性基礎(chǔ)，并滿足滲透穩(wěn)定準則和嚴寒地區(qū)墊層料透水準則。設(shè)計時要根據(jù)建設(shè)要求來選擇材料，石料質(zhì)地要新鮮，堅硬且具有良好的耐久性，粒徑最大在8cm以內(nèi)，且小于0.5cm的含量要控制在25%～40%左右，不足0.01cm的含量應(yīng)在5%以內(nèi)。連續(xù)級配料，Cu＞20，滲透系數(shù)K=i×10-3cm/s［4］。鋪筑與碾壓階段，對墊層料和過渡層料進行充分混合，提高面板均勻性與穩(wěn)定性，并將造價控制在預(yù)算范圍內(nèi)［4］。

（2）主堆石區(qū)。主堆石區(qū)為水利工程大壩結(jié)構(gòu)的主要組成部分，所選石料質(zhì)量、密度與沉降量是否達到施工要求，將會直接影響面板大壩結(jié)構(gòu)安全性。因此要盡量選擇質(zhì)地堅硬、級配良好的石料，且要將其最大粒徑控制在60cm以內(nèi)，不足0.5cm的含量要在總量的20%以內(nèi)，不足0.01cm則應(yīng)為總量的5%以內(nèi)。連續(xù)級配料，Cu＞15。對于主堆石區(qū)來說，其可以與下游堆石不均勻變形造成面板產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，產(chǎn)生面板裂縫。這樣在對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，主堆石與下游堆石區(qū)需要選擇同一種材料，降低上下堆石體模量差。

4.3混凝土面板設(shè)計

面板受水荷載影響，會存在大部分區(qū)域受壓，且會在壩頂與近岸位置產(chǎn)生拉應(yīng)變，且面板應(yīng)變與堆石體變形存在密切聯(lián)系。本工程混凝土面板厚度選擇用連續(xù)變截面設(shè)計箱式，確定最大厚度0.5m，最小厚度0.3m。且只設(shè)置了縱縫，未設(shè)置永久水平縫，其中垂直縫與河谷中部間距12m，與兩岸間距6m。另外，還對面板中部位置設(shè)置了單層雙向鋼筋，適當?shù)奶岣吡伺浣盥剩?］。

4.4趾板設(shè)計

趾板即以灌漿帷幕為主，用于連接地下防滲體系與地上防身結(jié)構(gòu)的承上啟下的結(jié)構(gòu)，本工程選擇了平趾板方式，板厚0.8m。趾板線需要通過面板地面和趾板下游面交線進行控制，綜合分析基巖破碎、風化情況，采取了滲透比降和基礎(chǔ)處理，控制趾板最大寬度為6.0m，最小為4.0m，并且每隔12m便需要設(shè)置一條伸縮縫。另外，為提高趾板與基巖連接效果，還利用錨桿進行了錨固處理，插入巖石3.5m，根據(jù)實際情況確定每隔1.2m2便設(shè)置一根。

5　運行監(jiān)測結(jié)果

5.1壩體沉降

對壩體沉降度進行監(jiān)測時，確定為兩個高層、五個測點同時進行。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，可以確定隨著大壩填筑高度的增加，沉降量也不斷增大，當大壩填筑到頂端后，各測點沉降量會逐漸降低，且蓄水后個測點沉降量也無明顯變化。

5.2水平位移

對壩體水平位移進行監(jiān)測時，可以利用各高層處引張線水平位移為依據(jù)進行計算。監(jiān)測后確定測點水平位移存在一定規(guī)律，施工階段位移量呈現(xiàn)總體向上游移動現(xiàn)象，蓄水后位移方向則更改為向下游，并且水位位移程度比較小，經(jīng)常一段時間后總體逐漸趨于穩(wěn)定［6］。

5.3周邊縫位移

利用各測點對周邊縫沉降、剪切以及開合度過程線進行監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以確定，混凝土面板周邊縫變形情況比較小，存在較小的止水破壞概率。同時經(jīng)過滲漏監(jiān)測后，確定工程面板滲漏量為13.8×10-3m3/s，年滲水量為43萬m3，在設(shè)計滲漏量范圍內(nèi)。

6　結(jié)束語

水利工程為社會建設(shè)重要基礎(chǔ)項目，建設(shè)效果與社會生產(chǎn)生活均有著密切聯(lián)系，需要重點做好其施工技術(shù)與操作工藝的分析與管理，提高各項作業(yè)實施的規(guī)范性。重點分析大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，對各個分區(qū)設(shè)計內(nèi)容做好控制，且在運行后要做好監(jiān)測，保證設(shè)計結(jié)果可以滿足實際應(yīng)用需求。

［1］何金平，李珍照，施玉群. 大壩結(jié)構(gòu)實測性態(tài)綜合評價方法研究［J］.水力發(fā)電學報，2001，（2）：36-43.

［2］“635”水利樞紐大壩心墻防滲土料工程特性及防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.新疆水利，2000，（5）：5-13.

［3］薛興祖，程玉輝.老龍口水利樞紐工程大壩優(yōu)化設(shè)計［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2008，（5）：59-61.

［4］鄧銘江，韓民，陸鳴，等.卡拉貝利水利樞紐地震安全評價及大壩抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.水利水電技術(shù)，2012，（9）：59-64.

［5］楊捷，何金平，李珍照.大壩結(jié)構(gòu)實測性態(tài)綜合評價中定量評價指標度量方法的基本思路［J］.武漢大學學報（工學版），2001，（4）：25-28.

［6］王小毛，徐麟祥，廖仁強.三峽工程大壩設(shè)計［J］.中國工程科學，2011，（7）：70-77.

TV64

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1671-3818（2016）09-0248-02

周鶴翔（1988-），男，陜西西安人，研究方向：水工結(jié)構(gòu)。