某水利施工工程及主壩設(shè)計(jì)思路之研究

□孫展杰　□孫　倩（塔里木河流域管理局）

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某水利施工工程及主壩設(shè)計(jì)思路之研究

□孫展杰□孫倩（塔里木河流域管理局）

摘要：近年來(lái)，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的促使下，水利工程項(xiàng)目得到重視和發(fā)展。主壩是水利工程項(xiàng)目的重點(diǎn)，是影響水利工程項(xiàng)目建設(shè)效果的關(guān)鍵，在整個(gè)水利工程項(xiàng)目中占有重要位置。因此，主壩設(shè)計(jì)顯得尤為重要。文章將在某水利工程的基礎(chǔ)上，探究主壩設(shè)計(jì)思路，以供相關(guān)人士參考。

關(guān)鍵詞：水利工程；主壩；設(shè)計(jì)思路

0　前言

水利工程在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有地位，是推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的有效動(dòng)力。主壩設(shè)計(jì)直接關(guān)系著水利工程質(zhì)量，是影響水利工程施工效率的關(guān)鍵所在。因此，為保證水利工程施工質(zhì)量，延長(zhǎng)水利工程使用年限，應(yīng)采用科學(xué)有效的措施，優(yōu)化主壩設(shè)計(jì)，促進(jìn)水利工程發(fā)展。

1　水利工程概述

本水利工程項(xiàng)目主壩選址于呈開(kāi)闊V型斜向谷的河段，相較而言，左岸較完整，右岸受沖溝切割影響。輝綠巖、硅質(zhì)巖以及泥巖等是主壩水利工程建設(shè)的主要對(duì)象，具有巖性復(fù)雜等特點(diǎn)，呈現(xiàn)出軟硬不均衡狀態(tài)。同時(shí)，基巖裂隙水是地下水的主要形式，存在水力聯(lián)系差的問(wèn)題，相較而言，具有水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。7度是壩址區(qū)地震的基本裂度，8度為設(shè)防裂度，且抗震預(yù)防等級(jí)為甲級(jí)。

2　主壩設(shè)計(jì)思路

主壩設(shè)計(jì)在整個(gè)水利工程中占有重要位置，其蘊(yùn)含的內(nèi)容十分豐富，主要包含主壩布置、主壩斷面設(shè)計(jì)、主壩穩(wěn)定性與應(yīng)力分析、壩體分縫分析、壩體防滲止水和排水設(shè)計(jì)以及壩體混凝土分區(qū)設(shè)計(jì)等。

2.1主壩布置

主壩位于約厚127 m的輝綠巖上，呈折線(xiàn)狀沿輝綠巖層布設(shè)，壩頂約長(zhǎng)720 m，包括共24個(gè)壩塊，具體壩塊分類(lèi)如表1所示。

將壩頂高程設(shè)置為234 m，130 m為最大壩高。中孔和表孔是構(gòu)成泄水建筑物的重要要素，布置于河床左側(cè)4A#至5#壩塊上。其中，中孔規(guī)格為寬4m、高7m，共3個(gè)，表孔規(guī)格為寬14m、高18 m，共4個(gè)。

表1　壩體分類(lèi)表

2.2斷面設(shè)計(jì)

第一，斷面設(shè)計(jì)原則：碾壓混凝土與常態(tài)混凝土基本性能存在諸多共同點(diǎn)，同時(shí)，碾壓混凝土重力壩與常規(guī)混凝土重力壩的工作狀態(tài)基本相似，可采用相同的設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。在碾壓混凝土重力壩斷面設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)碾壓混凝土壩材料予以重視。因?yàn)槟雺夯炷翂尾牧系能浫鯀^(qū)存在于RCC碾壓施工層面，導(dǎo)致壩體橫縫間距偏大。

第二，優(yōu)化斷面設(shè)計(jì)：動(dòng)態(tài)規(guī)劃法不僅適用于溢流壩，同樣適用于非溢流壩。在壩的斷面面積（A）最小的目標(biāo)函數(shù)基礎(chǔ)上，將決策變量設(shè)置為上、下游面坡率，即m1，m2，m3。同時(shí)，將起坡高程H2與變坡高程H3設(shè)置為決策變量。因此，可將目標(biāo)函數(shù)用如下函數(shù)表示：optAmin=f（m0，m1，m2，H2，H3），在此函數(shù)中，m0表示上游面坡率，m1，m2分別表示下游面兩個(gè)坡率，且m1＜m2。

以混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范為基準(zhǔn)，依據(jù)相關(guān)規(guī)程和壩址實(shí)際情況，明確應(yīng)力和抗滑穩(wěn)定的約束條件，找出限制壩底寬度的條件。在碾壓混凝土機(jī)械施工條件的指導(dǎo)下，掌握約束壩坡率的關(guān)鍵因素，從而構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)的約束集，采用逆序求解方式達(dá)到求解的目的，從而獲得基本斷面，即擋水壩斷面。見(jiàn)圖1。

2.3主壩穩(wěn)定性與應(yīng)力分析

圖1　主壩施工斷面圖

一方面，計(jì)算壩身與壩基面，在抗剪斷強(qiáng)度公式的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確計(jì)算壩塊的抗滑穩(wěn)定性。針對(duì)計(jì)算結(jié)果，重點(diǎn)分析極具代表性的4B#、6A#的計(jì)算結(jié)果。具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　順流向抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)值表

在應(yīng)用抗剪斷公式計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)前，選定相關(guān)參數(shù)，主要包括RCC結(jié)合面和壩基接觸面。針對(duì)RCC結(jié)合面而言，f=1.1，c'=0.90 MPa，針對(duì)壩基接觸面而言，4B#：f=1.1，c'=1.00 MPa，6A#：f=1.00，c'=0.80 MPa。

另一方面，材料力學(xué)法應(yīng)力計(jì)算，一般而言，以偏心受壓公式為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)壩的應(yīng)力計(jì)算。其中，在無(wú)地震力的作用下，壩塊間運(yùn)用期所產(chǎn)生的應(yīng)力均屬于壓應(yīng)力范疇。另外，不管施工是否涉及揚(yáng)壓力，其應(yīng)壓力應(yīng)小于壩體混凝土以及地基的應(yīng)壓力。在涉及地震力作用的基礎(chǔ)上，0.80 MPa是壩體的最大主拉應(yīng)力，且明顯小于抗拉強(qiáng)度。在此情況下，則標(biāo)志壩體抗拉效果良好，具有較高安全性。

2.4壩體分縫設(shè)計(jì)

一般而言，壩體布置、結(jié)構(gòu)以及混凝土溫度等因素是判定主壩分縫的關(guān)鍵因素，共包括6塊左岸擋水壩段，其長(zhǎng)度依次為：36、36、30、30、30、30 m，3塊溢流壩段，長(zhǎng)度依次為33、22、33 m，4塊均長(zhǎng)為27 m的右岸河床壩段，10塊右岸非溢流壩段，36 m為右壩頭兩塊長(zhǎng)度，且包含1塊長(zhǎng)為20 m的外，均屬于長(zhǎng)30 m的斷壩，同時(shí)不設(shè)縱縫于壩體中。

若以RCC主壩溫度為參考，分析相關(guān)應(yīng)力，為迫使上游壩面抗裂性能得到改善，在設(shè)置上述橫縫的前提下，將約長(zhǎng)3 m左右的一短縫設(shè)置其中，且經(jīng)應(yīng)力釋放限裂結(jié)構(gòu)設(shè)置于縫端。

2.5壩體防滲止水和排水設(shè)計(jì)

首先，針對(duì)壩體上游面防滲：針對(duì)上游面而言，以二級(jí)配RCC作為主要防滲材料。同時(shí)，將聚合物高分子防滲材料涂置于蓄水位228 m以下的上游壩面，以達(dá)到防滲的效果。

其次，針對(duì)壩體止水：止水不僅要設(shè)置于主壩橫縫中，而且應(yīng)設(shè)置于短縫中。一般而言，若壩高＞70 m時(shí)，則需設(shè)置二銅一塑，若壩高＜70 m時(shí)，則需設(shè)置一銅一塑。需注意的是，50 cm是第一道銅片與壩面的距離，且保持止水片間距為50 cm，塑料止水主要用于最后一道。

最后，針對(duì)壩體排水：將排水孔設(shè)置于基礎(chǔ)排水廊道中和由155 m、200 m高程排水觀測(cè)廊道構(gòu)成的立面，迫使排水幕形成于壩體內(nèi)。針對(duì)155 m高程排水觀測(cè)廊道，主要采用埋管法方式設(shè)置排水孔，且排水孔規(guī)格為孔徑為15 cm，而間距為3 m。針對(duì)200 m高程排水觀測(cè)廊道，主要采用鉆孔法方式設(shè)置排水孔，且排水孔規(guī)格與155 m高程排水觀測(cè)廊道設(shè)置的排水孔規(guī)格一致。

2.6壩體混凝土分區(qū)設(shè)計(jì)

壩體混凝土分區(qū)設(shè)計(jì)由溢流壩斷斷面與擋水壩段斷面構(gòu)成，在設(shè)計(jì)該部分內(nèi)容時(shí)，應(yīng)以壩段工作條件為基礎(chǔ)，合理、科學(xué)選擇混凝土。針對(duì)本工程，有四個(gè)部分組成：第一，壩體內(nèi)部三級(jí)配RCC；第二，厚1.50 m左右的壩基墊層抗?jié)B常態(tài)混凝土；第三，將空孔放置于壩面和泄洪處，采用閘墩以抗沖混凝土；第四，針對(duì)壩體上游面而言，采用二級(jí)配抗?jié)BRCC，水頭的1/15是RCC的厚度規(guī)范，以2、3.50、4.80、8 m為基本標(biāo)準(zhǔn)，由上至下采用分階梯方式進(jìn)行布置。若斷面的擋水壩壩高處于70 m之上，則需適當(dāng)考慮壩體抗震，將二級(jí)配置RCC設(shè)置于壩體下游165 m至220 m高程處。

除上述要素外，在水利工程主壩設(shè)計(jì)思路中，應(yīng)適當(dāng)添加抗震動(dòng)力設(shè)計(jì)以及地基處理問(wèn)題，以確保主壩設(shè)計(jì)的完整性，為水利工程施工提供便利。

3　總結(jié)

總而言之，主壩設(shè)計(jì)是水利工程中的重要環(huán)節(jié)，是水利工程施工效率的保障，關(guān)系著整個(gè)水利工程施工質(zhì)量。因此，相關(guān)單位、企業(yè)應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到主壩設(shè)計(jì)在整個(gè)水利工程中的重要性，優(yōu)化主壩設(shè)計(jì)思路，提高主壩設(shè)計(jì)效率，促進(jìn)水利工程發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：趙鑫）

中圖分類(lèi)號(hào)：TV64

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8853（2016）04-0078-02

作者簡(jiǎn)介：孫展杰（1983-），男，工程師，主要從事水資源管理工作。

收稿日期：20416-01-18