中美拱壩設(shè)計標準的差異分析

饒 宏 玲

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

中美拱壩設(shè)計標準的差異分析

饒 宏 玲

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

本文對中美拱壩設(shè)計標準在泄洪布置、洪水標準、荷載組合、壩體混凝土強度及控制標準、拱座穩(wěn)定分析、建基面確定、橫縫灌漿、溫度控制等拱壩設(shè)計主要方面的規(guī)定進行了差異性對比，并提出了對這些差異的一些認識，對工程設(shè)計及規(guī)范修編具有一定參考價值。

中國標準；美國標準；差異性；對比

0 前 言

目前，中國的拱壩設(shè)計標準有電力行業(yè)標準DL/T5346-2006《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》[1]及水利行業(yè)標準SL282-2003《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》[2]，與拱壩設(shè)計相關(guān)的美國標準有美國墾務(wù)局編著的《拱壩設(shè)計》[3]，美國陸軍工程師兵團工程師手冊的《拱壩設(shè)計》(EM 1110-2-2201)[4]，美國聯(lián)邦能源管理委員會大壩安全檢查處的《美國水電項目工程審查評估導(dǎo)則》[5]、美國陸軍工程師兵團《泄水建筑物結(jié)構(gòu)的設(shè)計與評估》(EM 1110-2-2400)[6]、《溢洪道設(shè)計》(EM 1110-2-1603)[7]、《水力設(shè)計準則》[8]、美國混凝土學(xué)會《混凝土設(shè)計手冊》(ACI318)[9]、《水工建筑物混凝土的侵蝕》(ACI 210R-93)[10]等。本文對中美拱壩設(shè)計標準的對比，中國標準以文獻[1]為主，對比的美國標準主要以文獻[3][4]為主，也涉及了上述所列其他美國標準的相關(guān)內(nèi)容。

總體而言，從形式上看，文獻[1]為設(shè)計規(guī)范，只對拱壩設(shè)計進行了原則性的條文規(guī)定，未對拱壩的具體設(shè)計進行方法性的具體指導(dǎo)，在條文說明里簡要列出了一些工程實例；從內(nèi)容上，文獻[1]主要針對拱壩設(shè)計進行了相應(yīng)的設(shè)計規(guī)定，其他內(nèi)容如水文、勘探、施工等方面內(nèi)容沒有涉及。文獻[3]、[4]為設(shè)計手冊，對拱壩設(shè)計進行了全方位的指導(dǎo)，手冊圖文并茂，既有原則性規(guī)定，又有具體做法指導(dǎo)，并有大量工程實例，對工程設(shè)計的指導(dǎo)性較強；涉及內(nèi)容較廣泛，除對拱壩設(shè)計有相應(yīng)的設(shè)計指導(dǎo)及規(guī)定外，文獻[3]還對水文資料的收集和整理、庫容和水庫調(diào)度資料的收集、氣候資料的收集、建筑材料、壩基勘探、施工布置和進度、施工方法、施工導(dǎo)流、施工管理、與工程有關(guān)的外界需求、生態(tài)和環(huán)境衛(wèi)生問題的考慮等進行了相應(yīng)指導(dǎo)和規(guī)定。文獻[4]對地基勘探、施工導(dǎo)流、施工方法等進行了指導(dǎo)和規(guī)定。限于篇幅，以下僅對中美拱壩設(shè)計標準在拱壩設(shè)計的幾個主要方面的差異進行比較。

1 拱壩泄洪布置差異比較

中美標準在樞紐泄洪布置上的設(shè)計思路有一定差異，文獻[1]要求泄洪布置和方式應(yīng)具有足夠的運行靈活性，多套泄洪設(shè)施均可獨立宣泄常年洪水，聯(lián)合運行時可宣泄設(shè)計及校核洪水；各種泄洪設(shè)施采用同樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計標準。美國標準將泄洪設(shè)施區(qū)分為工作、輔助和緊急三個層次，尤其是文獻[5]明確規(guī)定，工作泄洪設(shè)施經(jīng)常運行，結(jié)構(gòu)設(shè)計標準較高，用于宣泄常年洪水；輔助泄洪設(shè)施不經(jīng)常運行，結(jié)構(gòu)設(shè)計標準較低，用于宣泄超過工作泄洪設(shè)施泄流能力的那部分洪水，在通過大壩入庫設(shè)計洪水(IDF)時損失不大是可接受的；緊急泄洪設(shè)施不經(jīng)常運行，結(jié)構(gòu)設(shè)計標準最低，用于宣泄特大洪水，或工作、輔助泄洪設(shè)施失靈時宣泄洪水。緊急泄洪設(shè)施可以最低的費用獲得最高程度的洪水安全。

文獻[1]強調(diào)拱壩泄洪布置宜優(yōu)先考慮壩身泄洪的方式。根據(jù)我國近年來拱壩建設(shè)的實踐，優(yōu)先考慮壩身開孔泄洪符合我國大量拱壩工程所具有的壩址處河道狹窄、水頭高、泄洪量大的特點，是一條成功的經(jīng)驗，由于水流歸槽較好，也有利于減少對下游的沖刷。美方標準則強調(diào)優(yōu)先選擇岸邊獨立式泄水建筑或泄洪隧洞。

2 洪水標準差異比較

文獻[1]規(guī)定泄水及消能防沖建筑物的洪水標準應(yīng)按GB50201《防洪標準》[11]執(zhí)行。按文獻[11]規(guī)定，不同等級水工建筑物應(yīng)采用相應(yīng)頻率的洪水標準，并規(guī)定了其相應(yīng)的消能防沖建筑物的洪水標準。如混凝土壩1級擋水、泄水建筑物的校核洪水重現(xiàn)期5 000～2 000年，設(shè)計洪水重現(xiàn)期1 000～500年，消能防沖建筑物設(shè)計洪水重現(xiàn)期100年。

文獻[3]拱壩設(shè)計入庫設(shè)計洪水采用可能發(fā)生的最大洪水PMF。文獻[3]中關(guān)于確定入庫設(shè)計洪水(IDF)論述的總體思路是：應(yīng)進行風險分析，同時規(guī)定, 可能最大洪水(PMF)是確定IDF的上限。大壩或其它蓄水建筑物洪水過程線的IDF用于大壩及其附屬建筑物的設(shè)計，特別是確定溢洪道和泄水工程的尺寸，確定大壩的最大高度，超高和臨時蓄水要求等。美國標準未對下游消能防沖建筑物規(guī)定洪水標準。

3 荷載組合差異比較

中美標準關(guān)于荷載組合最大的差異體現(xiàn)在水位和溫度荷載的對應(yīng)關(guān)系上。文獻[1]不考慮水位和溫度荷載的時段對應(yīng)關(guān)系，按最不利組合考慮進行包絡(luò)，如規(guī)定持久狀況正常組合，需考慮:

(1)正常蓄水位加溫升；

(2)正常蓄水位加溫降；

(3)設(shè)計洪水位加溫升；

(4)死水位加溫升；

(5)死水位加溫降情況。

但具體工程中如果經(jīng)論證，上述某種組合情況實際上不可能發(fā)生，也可不需計算那種組合。美國標準考慮水位與溫度荷載的時段對應(yīng)關(guān)系，先確定其中一項，然后根據(jù)水庫運行調(diào)度計劃，確定另外一項，如文獻[3]規(guī)定正常荷載組合需計算的情況為:

(1)最小尋?；炷翜囟群屯瑫r發(fā)生的最可能出現(xiàn)的庫水位；

(2)最大尋?；炷翜囟群屯瑫r發(fā)生的最可能出現(xiàn)的庫水位；

(3)正常設(shè)計庫水位和同時發(fā)生的尋?；炷翜囟扔绊懀?/p>

(4)最低庫水位和同時發(fā)生的尋?；炷翜囟扔绊憽?/p>

4 壩體混凝土強度及控制標準差異比較

4.1 壩體混凝土強度

文獻[1]規(guī)定壩體混凝土抗壓強度標準值應(yīng)由標準方法制作養(yǎng)護的邊長為150 mm立方體試件，在90 d齡期，用標準試驗方法測得的具有80%保證率的抗壓強度確定?；炷量估瓘姸葮藴手禐?.08倍抗壓強度標準值。同時，條文說明中還指出，根據(jù)拱壩工程的規(guī)模、施工期長短和重要性，經(jīng)論證，強度保證率亦可采用85%，設(shè)計齡期亦可采用180 d或更長的齡期。

文獻[3]規(guī)定混凝土的抗壓強度由6×12英寸(152.4 mm×304.8 mm)圓柱體試件進行試驗確定，通常的設(shè)計齡期為365 d，但各個建筑物可根據(jù)建筑物受載時間采用不同的齡期?；炷量估瓘姸葹榭箟簭姸鹊?%～6%。文獻[4]規(guī)定大體積混凝土的設(shè)計齡期通常是90 d到1年之間?；炷恋目估瓘姸雀鶕?jù)劈裂拉伸試驗結(jié)果確定。如無試驗結(jié)果，在初步設(shè)計階段，抗拉強度可按抗壓強度的10%考慮。

綜上所述，中美標準雖然都提出了混凝土設(shè)計齡期的概念，但均未對齡期作出強制性要求，強調(diào)的是設(shè)計齡期可根據(jù)壩體受載時間靈活選用，并且在某些規(guī)定的齡期時應(yīng)具有設(shè)計所要求的抗壓強度。對抗拉強度大小的初步確定,中國標準介于文獻[3]、文獻[4]之間?；炷猎嚰叽缬胁町?，中國標準為150 mm立方體試件，美國標準為6×12英寸(152.4 mm×304.8 mm)圓柱體試件。根據(jù)國內(nèi)外一系列試驗資料統(tǒng)計，150 mm×300 mm圓柱體試件的抗壓強度約為150 mm立方體試件抗壓強度的0.83倍。兩國標準的混凝土強度保證率基本一致。

4.2 壩體混凝土強度控制標準

文獻[1]規(guī)定拱壩壩體應(yīng)力計算分析方法以拱梁分載法為主、線彈性有限元-等效應(yīng)力法為輔、兼顧非線性有限元以及其他數(shù)值仿真手段的方法體系；美國目前逐漸過渡到以線彈性有限元為主，拱梁分載法為輔，兼顧非線性有限元等其他方法的方法體系；從手段方法上，中美兩國采用的基本一致。

文獻[1]強度安全控制標準采用了分項系數(shù)的表達式，美國標準均采用單一安全系數(shù)的表達式，為便于對控制標準進行對比，將文獻[1]的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、設(shè)計狀況系數(shù)、結(jié)構(gòu)系數(shù)、材料性能分項系數(shù)乘起來，即可轉(zhuǎn)化為單一安全系數(shù)，換算后的安全系數(shù)見表1～3。

表1 持久工況中美標準抗壓強度安全系數(shù)比較

注：表中所列安全系數(shù)為統(tǒng)一采用15 cm立方體試件后的安全系數(shù)。

表2 短暫工況中美抗壓強度安全系數(shù)比較

注：表中所列安全系數(shù)為統(tǒng)一采用15 cm立方體試件后的安全系數(shù)。

表3 偶然工況中美抗壓強度安全系數(shù)比較

注：表中所列安全系數(shù)為統(tǒng)一采用15 cm立方體試件后的安全系數(shù)。

文獻[1]規(guī)定壩體混凝土抗壓強度安全按表1～3的安全系數(shù)進行控制，即對不同等級建筑物、不同設(shè)計狀況，應(yīng)力控制指標不同；對拉應(yīng)力除規(guī)定了不同等級建筑物、不同設(shè)計狀況的應(yīng)力控制指標外(見文獻[1]，此處略)，還作出特別限制：規(guī)定采用拱梁分載法計算時，當采用分項系數(shù)極限狀態(tài)表達式計算出的拉應(yīng)力控制指標大于1.2 MPa時，基本作用組合，要求拉應(yīng)力不得大于1.2 MPa。采用彈性有限元計算時，基本組合情況下，經(jīng)等效處理后的壩體最大拉應(yīng)力不應(yīng)大于1.5 MPa；另外，文獻[1]還規(guī)定，為保證拱壩的安全，對超過拉應(yīng)力控制指標的拱壩，應(yīng)通過拱壩體形的調(diào)整來減小拉應(yīng)力的作用范圍和拉應(yīng)力的數(shù)值，或提高采用的混凝土強度直至滿足標準的要求；在壩體橫縫灌漿以前，按單獨壩段用材料力學(xué)方法分別進行驗算時，壩體容許拉應(yīng)力不得大于0.5 MPa；如僅有壩面?zhèn)€別點的拉應(yīng)力不能滿足上述要求，則應(yīng)研究壩體可能開裂的范圍，評價裂縫的穩(wěn)定性和對壩體的影響，任何情況下開裂不能擴展到壩體上游帷幕線。文獻[1]規(guī)定壩體混凝土強度不應(yīng)低于C9015。

文獻[3]對壩體混凝土強度的控制標準見表1～3，并規(guī)定正常、非常荷載組合情況下，混凝土的最大容許壓應(yīng)力不超過1 500磅/英寸2(10.35 MPa)、2 250磅/英寸2(15.17 MPa)。同時規(guī)定，只要可能，應(yīng)該對結(jié)構(gòu)重新設(shè)計以避免拉應(yīng)力。但在正常荷載組合情況下，上游面局部范圍內(nèi)可以根據(jù)設(shè)計者的斟酌，容許存在有限的拉應(yīng)力。在任何情況下，對于正常荷載組合，這一拉應(yīng)力不能超過150磅/英寸2(1.035 MPa)，對于非常荷載組合，不能超過225磅/英寸2(1.517 MPa)。在施工期或最低水位和最高溫度荷載的組合下，下游面局部地區(qū)各澆筑層面上可容許有等于混凝土抗拉強度的拉應(yīng)力。靜荷載的合力作用點必須位于垂直斷面以內(nèi),以維持施工期內(nèi)的穩(wěn)定。對于包括最大可信地震的極端荷載組合，當抗拉強度被超過后，應(yīng)假定混凝土開裂，并假定裂縫擴展到0應(yīng)力點。在極端荷載組合下，如果考慮了開裂影響后，應(yīng)力小于混凝土的規(guī)定抗壓強度，結(jié)構(gòu)能維持穩(wěn)定，則結(jié)構(gòu)物可認為是安全的。

文獻[4]規(guī)定的抗壓強度安全系數(shù)見表1～3，規(guī)定的抗拉安全系數(shù)為1.0，并要求拱壩設(shè)計應(yīng)通過體形調(diào)整或者改變大壩設(shè)計，以盡最大可能減小拉應(yīng)力，或?qū)⒗瓚?yīng)力局限在一定區(qū)域內(nèi)。同時說明，在水庫低水位、高溫度條件下，以及在施工期間或在完工時，在保證懸臂梁的穩(wěn)定前提下，不必將拱壩下游面的拉應(yīng)力看成一個很大的問題。當水庫水位上升時，懸臂梁下游面上的拉應(yīng)力會在不同程度上有所降低。即使發(fā)生了開裂，增加的靜水荷載和產(chǎn)生的向下游變位將會使裂縫閉合。對壩上游面上的拉力應(yīng)給予更多的關(guān)注，其主要原因是，如果裂縫發(fā)展，并且延伸貫通壩的整個厚度，便有可能形成穿過壩體的滲漏通道。懸臂梁開裂并不意味著壩的破壞。當拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度，發(fā)生裂縫時，懸臂梁的未開裂部分將趨向于承擔更多的壓應(yīng)力，余下的荷載將由拱來承擔。如果由于拉應(yīng)力而產(chǎn)生的裂縫廣泛蔓延開來，則由拱承擔的荷載將會過多。隨后，懸臂梁的未開裂部分的壓應(yīng)力可能會超過混凝土的抗壓強度，引起混凝土的破壞。因此，由于壓應(yīng)力是拱壩破壞的主要模式，文獻[4]在確定容許壓應(yīng)力時比較保守，而對拉應(yīng)力的控制相對寬松。

文獻[5]規(guī)定正常、非常、極端情況下，抗壓安全系數(shù)分別為2.0、1.5、1.1，均低于文獻[3]、[4]，拉應(yīng)力安全系數(shù)為1.0，即拉應(yīng)力控制指標與文獻[4]一致，均為混凝土的抗拉強度。

如前述分析，將美國標準Φ15 cm×30 cm試件抗壓強度換算成中國的15 cm立方體試件抗壓強度，采用折減系數(shù)α= 0.83；由于中美標準均未對壩體混凝土設(shè)計齡期作出強制要求，強調(diào)的是根據(jù)壩體受載齡期可靈活選用，而中美標準的安全系數(shù)比較均是指達到設(shè)計齡期時壩體混凝土強度應(yīng)滿足的標準。因此，對兩國標準強度指標的比較，可以拋開齡期的影響，比較都達到設(shè)計齡期時壩體混凝土強度應(yīng)滿足的指標的差異；同時，兩國的壩體混凝土強度保證率取值是一致的，因此比較時可不考慮保證率的差異。

中美兩國拱壩強度安全控制指標的差異主要表現(xiàn)在：

(1)文獻[1]對不同安全級別的建筑物控制指標不一樣，美國標準采用統(tǒng)一的指標;

(2)文獻[1]對拱梁分載法及有限元法分別制定了不同的控制指標，美國標準則用同樣的指標;

(3)文獻[4]對持久工況規(guī)定了較高的壓應(yīng)力控制指標，主要原因在于其認為壓應(yīng)力是拱壩破壞的主要模式，因此控制指標要求較高;

(4)短暫工況和偶然工況文獻[1]控制指標高于美國標準控制指標;

(5)兩國標準都強調(diào)拉應(yīng)力的控制以及可能開裂范圍的控制，但在拉應(yīng)力控制指標以及拉裂區(qū)的控制上有差異，文獻[1]和文獻[3]相對較嚴格，文獻[4]、[5]相對寬松。

5 拱座穩(wěn)定分析差異比較

5.1 抗剪參數(shù)取值上的差異

文獻[1]只原則上規(guī)定壩基巖體力學(xué)性質(zhì)的取得需進行試驗，未對參數(shù)如何取值進行規(guī)定。文獻[3]、[4]則做出了一些相關(guān)規(guī)定。參考我國相關(guān)規(guī)范[2-3]，從抗剪參數(shù)的試驗及選取上，中美兩國標準存在以下差異：

(1)兩國標準中巖體及結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)的確定都以室內(nèi)直剪試驗及野外大剪試驗的成果作為主要依據(jù)。但文獻[4]推薦的室內(nèi)直剪試驗是在人為鋸開的表面上進行的，通過這樣的直剪試驗可以得到巖體的殘余摩擦角，巖體抗剪強度是該殘余摩擦角加上粗糙角。粗糙角可在野外用弦線對地基內(nèi)具有代表性的節(jié)理進行量測后得到。文獻[12]規(guī)定的直剪試驗是將同一類型的一組試體，在不同法向荷載下進行剪切，根據(jù)庫侖-納維強度準則確定抗剪強度參數(shù)。

(2)我國的抗剪強度參數(shù)統(tǒng)計方法一般采用圖解法、點群中心法、最小二乘法、優(yōu)定斜率法等直線法。文獻[3]認為，對于有節(jié)理裂隙的巖石，抗剪強度基本是由滑動摩擦產(chǎn)生的，而且通常不與法向荷載呈直線關(guān)系。因此，應(yīng)當用曲線來表示抗剪力與法向荷載的關(guān)系，曲線中的某一段可以用線性變化來表示。當試驗證明在有限的法向荷載范圍內(nèi)，抗剪強度與法向荷載呈線性關(guān)系時，可以采用固定的tgφ(φ為摩擦角)。但如果法向荷載變化幅度較大，則可能需要考慮不同的tgφ的值。

(3)文獻[3]強調(diào)非均值巖基中確定每一種巖石抗剪力時，計入變形的重要性。由庫侖公式或抗剪力-法向力曲線得出的抗剪力，通常是指不考慮變形時的最大值，不同材料在達到最大抗剪強度時，其變形是不相同的。剪切帶或節(jié)理達到最大抗剪強度時變形大于完整巖石。在由完整巖石和剪切帶、節(jié)理構(gòu)成的滑動面上，對于同一變形，完整巖石和剪切帶、節(jié)理達到的抗剪強度不一樣，完整巖石可能已達到其極限抗剪強度，而剪切帶、節(jié)理則還未能達到其最大抗剪強度，即滑動面上的總抗剪力低于巖石、剪切帶、節(jié)理直接加起來的最大抗剪強度，如果此時簡單認為滑動面上的所有材料都達到其極限抗剪強度，會高估滑動面上的總抗剪力。

5.2 拱座抗滑穩(wěn)定分析方法的差異

(1)中美標準都將剛體極限平衡法作為拱座抗滑穩(wěn)定分析的基本方法，但文獻[3]提出了分塊法作為對剛體極限平衡法的一種修正。剛體極限平衡法不允許塊體有變形，這是該方法的最基本假定之一。但由于該假定的存在，在垂直滑動方向的潛在滑動面上不產(chǎn)生剪切荷載。垂直滑動方向的剪切將減少法向荷載，從而減少可能產(chǎn)生的抗剪力。也就是說，該假定使得剛體極限平衡法求得的抗剪力為可能抗剪力的上限，可能會導(dǎo)致計算出的安全系數(shù)比真實情況偏大。而文獻[3]的分塊法正是針對這點進行修正，用該方法求得的抗剪力為可能抗剪力的下限，也就是說該方法可能會導(dǎo)致計算出的安全系數(shù)比真實情況偏小，相對剛體極限平衡法，是一種偏于安全的計算方法。

(2)文獻[1]列出了以分項系數(shù)形式表達的剪摩及純摩安全系數(shù)的計算公式，并明確表明1、2級拱壩及高拱壩應(yīng)進行剪摩分析，其他壩則只需進行純摩分析。但在我國實際工程設(shè)計時，所有壩都需進行剪摩及純摩的驗算。文獻[3]只對剪摩公式進行了安全控制指標的規(guī)定，但文獻[3]同時指出，在某些情況下，幾種不同材料組成的可能滑動面，在任何一種完整巖石被剪斷后，可能仍有較大的總抗剪力。例如，如果完整巖石的凝聚力強度低，而作用在整個面上的法向荷載大，則各材料的組合抗滑摩擦強度可能超過巖石被剪斷前測定的抗剪力，由于這個原因，應(yīng)該再采用僅考慮表面抗滑摩擦強度的第二種分析方法進行分析，但文獻[3]未對該方法進行安全控制指標的規(guī)定。文獻[4]、[5]則均只規(guī)定了采用純摩計算公式進行穩(wěn)定分析的控制指標。

(3)文獻[3]將平面有限元法及三維有限元法作為抗滑穩(wěn)定分析的計算方法，文獻[1]未將有限元法作為壩肩抗滑穩(wěn)定分析的一種方法。

5.3 抗滑穩(wěn)定分析控制指標的差異

文獻[1]采用分項系數(shù)形式分析剪摩穩(wěn)定時，抗力特性分為兩項處理，主要考慮f、C是不同的抗力，其不確定性有較大差異，f值不確定性小一些，C值不確定性大一些[14]。因此，文獻[1]要求的用分項系數(shù)表達的穩(wěn)定安全度，隨凝聚力與摩擦力所占權(quán)重不同而變化，當凝聚力權(quán)重增加時，由于其變異性大于摩擦力，分項系數(shù)計算的結(jié)果，要求的安全度要高一些；反之，要求的安全度會適當下降，即隨凝聚力及摩擦力所占權(quán)重不同，所要求的安全度不是一個恒定值，而是在一個范圍內(nèi)變化。為便于控制指標的對比，將文獻[1]的分項系數(shù)轉(zhuǎn)化為單一安全系數(shù)見表4。由于上述原因，文獻[1]所要求的安全系數(shù)在一定范圍內(nèi)變動，下限為凝聚力權(quán)重為零時所要求的安全系數(shù)，上限為摩擦力所占權(quán)重為零時的安全系數(shù)。

表4 中美標準抗滑穩(wěn)定控制標準差異比較

從表4看出，文獻[1]的控制指標除了與荷載組合有關(guān)外，還跟建筑物級別有關(guān)，建筑物級別越高，控制標準越高。而美國標準的控制指標只與荷載組合有關(guān)，與建筑物級別無關(guān)。中美標準在抗剪參數(shù)試驗方法、取值方法、統(tǒng)計方法上存在差異，可能導(dǎo)致同一工程抗剪參數(shù)取值上的差異，而參數(shù)的取值直接影響抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果，因此，此處無法直接對中美兩國標準的抗滑穩(wěn)定控制指標孰高孰低進行比較。但總體而言，相對文獻[1]，美國標準持久工況控制指標較高，偶然工況控制指標相對較低。

5.4 壩與地基聯(lián)合作用的受力分析差異

文獻[1]強調(diào)對高拱壩或地質(zhì)條件復(fù)雜的拱壩，需對壩與地基整體體系進行聯(lián)合受力分析，更全面地反映出壩和地基聯(lián)合受力情況下的拱壩地基體系的應(yīng)力變形情況，即整體穩(wěn)定情況。對拱壩整體穩(wěn)定性的判定，通過拱壩與地基在正常作用和超載作用下的三維非線性有限元分析、地質(zhì)力學(xué)模型試驗手段和工程類比，從壩與地基開裂、變形、屈服等破壞狀態(tài)進行綜合評判。美國標準未對此進行規(guī)定。

5.5 其他

文獻[1]、[5]均對壩基淺層穩(wěn)定分析有專門要求，文獻[3]、[4]沒有進行相應(yīng)規(guī)定。分析原因，文獻[1]、[5]發(fā)布時間相對較晚，吸取了1759號工程DIKFF[5]和中國華東地區(qū)的梅花拱壩[5]失穩(wěn)模式，均對壩基淺層穩(wěn)定提出相應(yīng)的要求。文獻[5]較重視該失穩(wěn)模式，詳細介紹了上述兩個失穩(wěn)案例和分析方法。

6 拱壩建基面確定的差異比較

文獻[1]規(guī)定，高壩應(yīng)開挖至Ⅱ類巖體，局部可開挖至Ⅲ類巖體。中低壩可適當放寬。文獻[3]規(guī)定在地基內(nèi)的最大容許應(yīng)力應(yīng)小于地基材料的抗壓強度除以安全系數(shù)4.0、2.7和1.3，分別相當于正常、非常和極端荷載組合。文獻[4]規(guī)定如果變形模量值低于500000磅/英寸2(3.4 GPa)，應(yīng)當采用合理的變形模量值進行充分的應(yīng)力分析。如果在各種假定條件下，壩的應(yīng)力都在允許應(yīng)力范圍之內(nèi)，則設(shè)計是可以接受的。綜上，文獻[1]采用巖體質(zhì)量分級標準確定建基面可利用巖體；文獻[3]用地基內(nèi)的最大容許應(yīng)力確定建基巖體質(zhì)量；文獻[4]則更強調(diào)用壩體的應(yīng)力來判定建基面是否合適。

對比而言，美國標準對于高拱壩壩基巖體質(zhì)量要求沒有文獻[1]嚴格。從我國實踐經(jīng)驗看，二灘、溪洛渡、錦屏一級、大崗山等一批200～300 m級特高拱壩都已經(jīng)大量或者部分利用弱風化的Ⅲ類巖作為拱壩壩基，文獻[1]要求壩高100 m以上的高拱壩壩基“開挖至Ⅱ類巖體，局部可開挖至Ⅲ類巖體”顯得過于嚴格，高拱壩壩基巖體質(zhì)量標準有進一步下調(diào)的空間。

7 拱壩橫縫及接縫灌漿的差異比較

(1)文獻[3]指出，拱壩的收縮縫不一定都要設(shè)置鍵槽，拱壩是否設(shè)置鍵槽需進行研究。要研究沿壩長各界面上的相應(yīng)推力和剪力，如剪切強度不足時，就需要設(shè)置鍵槽。在雙曲拱壩中，至少在壩的較低部位，需要設(shè)置鍵槽以保持準直和在施工期間塊體的穩(wěn)定。文獻[1]、[4]則沒有要求對橫縫面是否應(yīng)設(shè)置鍵槽進行研究，而是直接列出了橫縫面設(shè)置鍵槽的形式。

(2)文獻[3]從受力分析原理提出設(shè)置鍵槽的標準方法，要求鍵槽面為傾斜狀，大約與滿庫水荷載時的主應(yīng)力線一致。由于壩下游面下部的垂直剪力最大，故要求根據(jù)此處主應(yīng)力線的一般方向，確定單個鍵槽的方向，以簡化鍵槽模板。文獻[4]采用的鍵槽形式有垂直抗剪鍵(可延長上、下游面之間的滲徑)、凹紋形、華夫餅形等。文獻[1]根據(jù)近年來的工程經(jīng)驗，提出采用梯形、球形或圓弧形鍵槽。

(3)對于接縫灌漿區(qū)高度，文獻[3]、[4]規(guī)定每層宜為50～60英尺(15.2～18.3 m)，大于文獻[1]中規(guī)定的9～15 m。關(guān)于灌漿壓力，文獻[3]規(guī)定排氣口一般為30～50磅/英寸2(0.21～0.34 MPa), 文獻[1]規(guī)定灌漿壓力宜采用0.3～0.6 MPa。關(guān)于橫縫張開度，文獻[4]規(guī)定為1/16 ～3/32 英寸(1.58～2.38 mm)，文獻[1]規(guī)定不宜小于0.5 mm。文獻[1]規(guī)定灌漿區(qū)上部蓋重層不宜小于6 m，蓋重層與灌漿區(qū)的混凝土溫度宜一致，縫兩側(cè)壩體混凝土齡期不宜小于90 d，蓋重層混凝土齡期不宜小于28 d。美國標準中未查到相關(guān)規(guī)定。

8 混凝土溫度控制的差異比較

(1)文獻[1]明確提出混凝土基礎(chǔ)溫差及上下層溫差控制標準，并要求根據(jù)計算分析，確定出內(nèi)外溫差、最高溫度及表面溫度的控制標準，文獻[3]只提出了基礎(chǔ)溫差控制標準，且控制標準與文獻[1]有一定差異；文獻[1]將邊長在40 m以上的澆注塊劃分為通倉長塊，文獻[3]對通倉長塊的劃分為大于61 m以上，規(guī)定對大于61 m的通倉長塊要分縱縫，文獻[1]未對通倉長塊設(shè)置縱縫提出強制要求。根據(jù)我國近年來工程實踐經(jīng)驗，采取可靠的混凝土溫度控制措施，可實現(xiàn)大面積通倉澆筑。錦屏一級拱壩工程壩體澆筑塊達80 m(加貼角)，由于采取了可靠的溫控措施，未設(shè)置縱縫，壩體混凝土澆筑質(zhì)量良好。

(2)文獻[1] 、[3]均未明確規(guī)定混凝土澆筑層厚度，文獻[1]僅提出基礎(chǔ)約束范圍以內(nèi)的澆筑層厚度宜采用1.5～2.0 m，基礎(chǔ)約束范圍以外宜采用2.0～3.0 m，經(jīng)論證可選擇適合工程特性的澆筑層厚度。文獻[4]規(guī)定典型的澆筑層高度為5英尺、7.5英尺或10英尺(1.524 m、2.286 m、3.048 m)，從基底開始澆筑后，施工過程中此高度應(yīng)是不變的。

(3)文獻[1]對相鄰高差統(tǒng)一規(guī)定按不超過12 m控制，未對最大高差進行明確限制。文獻[3]通過對壩體溫度的均勻分布、施工進度、澆筑計劃幾方面通盤考慮，對不同的澆筑層厚度分別提出了相鄰高差控制標準，同時對最大高差進行了嚴格限制。當采用5英尺(1.524 m)澆筑層，相鄰高差25英尺(7.62 m)，最大高差40英尺(12.192 m)；采用7.5英尺(2.286 m)澆筑層，相鄰高差30英尺(9.144 m)，最大高差52.5英尺(16.002 m)。

(4)文獻[1]未明確提出降低壩體混凝土內(nèi)部溫度分幾期進行冷卻的要求，要求通水冷卻時壩體降溫速度不宜大于1 ℃/d，通水時壩體混凝土溫度與冷卻水之間溫差不宜超過20～25 ℃。文獻[3]、[4]均明確提出降低壩體混凝土內(nèi)部溫度要求采用初期、中期及后期三期冷卻。文獻[3]規(guī)定初期冷卻溫度下降的速率一般限制在每天0.5～1℉(0.28～0.56 ℃)之內(nèi)，中期和后期冷卻降溫速率一般維持在每天1 ℉(0.56 ℃)以下，最好是每天1/2 ℉(0.28 ℃)到3/4 ℉(0.42 ℃)。文獻[4]規(guī)定初期冷卻最好不要每天降低超過1/2 ℉(0.28 ℃)～1 ℉(0.56 ℃)。中期冷卻和后期冷卻，冷卻速度一天不得超過1/2 ℉(0.28 ℃)。美國標準對溫度控制的要求較細、較嚴，體現(xiàn)了施工期全程冷卻、小溫差、緩慢冷卻的溫控理念，根據(jù)近年來我國高拱壩的實踐經(jīng)驗，這些規(guī)定對壩體混凝土澆筑質(zhì)量具有重要意義。

9 結(jié) 語

本文對中美拱壩設(shè)計標準的主要差異進行了比較，限于篇幅，文中未對兩國標準的一些具體差異進行比較，并未對差異可能造成的對設(shè)計的影響進行比較。筆者認為，總體而言，文獻[1]在拱壩設(shè)計方面的規(guī)定、要求較系統(tǒng)、全面，且根據(jù)以往的工程經(jīng)驗總結(jié)出了一系列經(jīng)驗數(shù)據(jù)可供直接借鑒采用，優(yōu)點是設(shè)計人員可操作性較強，在設(shè)計資料缺乏的情況下，或工程師經(jīng)驗不足的情況下，仍可根據(jù)標準規(guī)定及一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)做出工程設(shè)計；美國標準除對一些涉及安全的設(shè)計準則(如強度、穩(wěn)定、溫控標準等)進行了嚴格規(guī)定外，對很多方面沒有做出強行規(guī)定，更強調(diào)設(shè)計方法和設(shè)計原則的正確性，要求對工程輸入條件進行大量的調(diào)查，采用正確的設(shè)計方法和原則，根據(jù)具體工程條件進行因地制宜的設(shè)計。

[1] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T5346-2006《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》[S].2007.

[2] 中華人民共和國水利部.SL282-2003《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》[S].2003.

[3] 美國墾務(wù)局.拱壩設(shè)計翻譯組校，潘家錚校.拱壩設(shè)計[M].水利電力出版社，1984.

[4] 美國陸軍工程師團.拱壩設(shè)計(EM1110-2-2201)[S].1994.

[5] 美國聯(lián)邦能源管理委員會大壩安全檢查處.美國水電項目工程審查評估導(dǎo)則[S].1999.

[6] 美國陸軍工程師兵團.泄水建筑物結(jié)構(gòu)的設(shè)計與評估(EM 1110-2-2400)[S].2003.

[7] 美國陸軍工程師兵團.溢洪道設(shè)計(EM 1110-2-1603)[S].1990.

[8] 美國陸軍工程師兵團.王詰昭,張元禧等譯.張長高校.水力設(shè)計準則[S].水利出版社，1982.

[9] 美國混凝土學(xué)會.混凝土設(shè)計手冊(ACI318)[S].2008.

[10] 美國混凝土學(xué)會.水工建筑物混凝土的侵蝕(ACI 210R-93)[S].2008.

[11] 國家技術(shù)監(jiān)督局.中華人民共和國建設(shè)部GB50201《防洪標準》[S].1994.

[12] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T5386-2007《水電水利工程巖石試驗規(guī)程》[S].2007.

[13] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50287-2006《水力發(fā)電地質(zhì)勘察規(guī)范》[S].2006.

[14] 饒宏玲.拱壩拱座穩(wěn)定的剛體極限平衡法的分項系數(shù)分析[J].水電站設(shè)計，2005(3).

2015-10-15

饒宏玲(1963-)，女，四川成都人，教授級高級工程師，從事水工設(shè)計工作。

TV642.4;TV312

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