水利工程的混凝土重力壩設(shè)計(jì)探微

努爾古麗

【摘要】水利工程中重力壩是常見的建筑，重力壩承受較大的荷載，對(duì)地基的要求較高，它對(duì)地基的要求介于拱壩和土石壩之間。除少數(shù)較低的重力壩可建在土基上之外，一般須建在巖基上。但是天然基巖由于受長期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及外界因素的影響，風(fēng)化、節(jié)理、裂隙、破碎等問題會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)，對(duì)基巖的整體性和均勻性在不同程度會(huì)有所破壞，會(huì)一定程度上降低基巖的強(qiáng)度和抗?jié)B性。所以只有對(duì)地基進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚拍軐?duì)重力壩的安全性和持久性有所保障。

【關(guān)鍵詞】水利工程；混凝土重力壩；設(shè)計(jì)

1、工程概述

某水電站位于某省境內(nèi)的某江中游河段上，是某江中游河段規(guī)劃梯級(jí)電站的第六級(jí)。樞紐區(qū)位于某縣中江鄉(xiāng)境內(nèi)。電站地理位置適中，距某縣縣城公路里程約120km，現(xiàn)有簡(jiǎn)易公路可達(dá)壩址區(qū)右岸，對(duì)外交通較為便利。

2、工程地質(zhì)條件

大壩基坑采用爆破施工，揭露大壩壩基地層為礫巖（K12）（硬巖），基坑持力層巖性為基本水平稍向西（右岸）傾斜的礫巖夾砂礫巖，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)鉆孔確定該層厚度從1.8m到0.6m不等，其下臥層為深厚砂巖（K12）（軟巖），現(xiàn)場(chǎng)情況與原初步設(shè)計(jì)地質(zhì)資料提供的壩基持力層為8m厚水平礫巖（硬巖）相比在出露高程與厚度方面均發(fā)生變化。根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)充勘察，壩基紅砂巖透水率等物理力學(xué)指標(biāo)與初步設(shè)計(jì)階段變化較大。其礫巖物理力學(xué)指標(biāo)：f′=0.8，c′=0.7，變形模量Eδ0=6.0GPa；砂巖物理力學(xué)指標(biāo)：f′=0.5，c′=0.3，變形模量Eδ0=1.0GPa。由于大壩持力層變?yōu)榈冖軐蛹t砂巖，砂巖巖體承載力較礫巖有所降低，且由于施工開挖后巖體卸荷作用下對(duì)壩基巖體向上抬動(dòng)，巖體中存在透水夾層，根據(jù)施工地質(zhì)補(bǔ)勘壓水試驗(yàn)成果，在勘探深度內(nèi)，巖體透水率4.7Lu～91.57Lu，平均為22.72Lu，屬中等透水性。

3、混凝土重力壩設(shè)計(jì)的思路

3.1 重力壩斷面設(shè)計(jì)

重力壩體的斷面一般是由穩(wěn)定條件和應(yīng)力條件來決定，斷面的施工及設(shè)計(jì)的控制標(biāo)準(zhǔn)均嚴(yán)格執(zhí)行《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范（SL319—2005）》中的有關(guān)規(guī)定。重力壩的斷面可分為溢流壩段和非溢流壩段。非溢流壩段斷面的形狀是三角形，三角形的頂點(diǎn)大概在壩頂。非溢流壩段壩體的上游面可以分為鉛直面、折面和斜面。重力壩的上游面壩坡的比例一般是1：0到1：0.2之間，按照穩(wěn)定要求以及應(yīng)力要求，同時(shí)下游面坡面一般由上游面坡面決定，下游坡的比例經(jīng)常是1：0.6到1：0.8之間。鑒于重力壩的斷面一般較大，所以需要的混凝土的量也會(huì)比較大，因此選擇一個(gè)工程量少而且安全性上又能達(dá)標(biāo)的方案也是混凝土重力壩設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。溢流段壩面設(shè)計(jì)。溢流段的堰面為曲線，并且溢流孔被設(shè)置成了開敞式，使用下式對(duì)壩面進(jìn)行計(jì)算。

在上式中有：Hd為堰面曲線的定型設(shè)計(jì)水頭，它可以按照規(guī)定可承受壓力的大小即堰頂能承受的最大作用水頭Hmax的75%到95%來進(jìn)行計(jì)算。n為和上游面堰坡相關(guān)的指數(shù)，可以由表1得到。當(dāng)P1/Hd大于1.0時(shí)，K的值也可以從表1中得到，當(dāng)P1/Hd小于1.0時(shí)，則k大約在2.0到2.2之間，其中P1是上游面的相對(duì)堰高。

3.2 泄水孔和相關(guān)消能設(shè)施設(shè)計(jì)

重力壩的泄水孔通?？梢允褂妹髁骺滓嗷蚴怯袎嚎?，泄水孔通常建在溢流壩段的下面，有時(shí)也會(huì)設(shè)計(jì)用來專門建泄水孔的壩段，同時(shí)也會(huì)設(shè)計(jì)用來消能的設(shè)施。泄水孔的泄流能力計(jì)算使用下式。

其中：Q為水的流量。Ak水流出口處的面積。Hw為水流自由流出時(shí)，泄流孔孔口中心位置的作用水頭。μ為泄流孔孔口或者是管道流量的相關(guān)系數(shù)，對(duì)于那些設(shè)有胸墻的堰頂高孔有，當(dāng)Hw/D等于2.0到2.4之間的時(shí)候，μ的值在0.74到0.82之間，否則，如果是短有壓深孔，則μ的值在0.83到0.93之間。而是長有壓深孔的時(shí)候，μ一定要在計(jì)算沿程和局部的水頭損失后才能確定。其中D為孔口的高度。通常，溢流壩消能工程中用得比較多的工程型式有四種，這四種分別是底流消能、消力戽消能、面流消能和挑流消能，然而這四種消能方式都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。底流消能的工程量一般比較大，面流消能、消力戽消能和挑流消能的工作量則都比較小，這四個(gè)消能方式中挑流消能相對(duì)于下流的沖涮力非常大，而且在消能的過程中會(huì)產(chǎn)生很多的霧氣，從而影響到壩區(qū)的正常運(yùn)行，所以挑流消能經(jīng)常被用在基巖較好和基巖較好的重力壩修筑工程上。

3.3 壩基的固結(jié)灌漿

按照壩基工程的地質(zhì)條件、灌漿試驗(yàn)資料以及壩高等依據(jù)，得到壩基的固結(jié)灌漿的范圍。固結(jié)灌漿排距和孔距大致可以是3米到4米之間的數(shù)值，深度是5米到8米之間的數(shù)值，方法是采用梅花型的布置。另外，灌漿孔的方向是由主要裂隙的情況以及現(xiàn)場(chǎng)的施工條件來決定，同時(shí)灌漿的壓力在不挪動(dòng)基礎(chǔ)巖體以及蓋重混凝土的情況下，應(yīng)該盡量的提高。

4、結(jié)論

我國對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入在逐年的加大，而水利工程是一個(gè)國家最根本的基礎(chǔ)設(shè)施，這一條件讓水利工程成為了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的重點(diǎn)工作之一?；炷林亓卧O(shè)計(jì)是水利工程建設(shè)的重點(diǎn)，混凝土重力壩的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到國家水利工程的建設(shè)，同時(shí)還關(guān)系到混凝土重力壩工程施工時(shí)的安全性。關(guān)于混凝土重力壩的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在還存在很多的問題。怎樣制定合理的消能形式，壩體裂縫的修復(fù)等等，這些問題都還沒有得到有效的解決，也都有待我們做進(jìn)一步的研究和探討。這篇文章對(duì)混凝土重力壩設(shè)計(jì)的探究，只作同行的參考。相信未來，混凝土重力壩的設(shè)計(jì)會(huì)有更多的創(chuàng)新和突破。

參考文獻(xiàn)：

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