水利工程大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行監(jiān)測的思考

王玉

隨著我國工程技術(shù)的不斷發(fā)展，對水利工程大壩的建設(shè)受到人們的廣泛關(guān)注，本文通過水利工程大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行監(jiān)測的思考展開了討論，通過壩體分區(qū)以及壩料設(shè)計(jì)、混凝土面板及趾板設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分縫以及止水設(shè)計(jì)三個(gè)方面展開了討論，對水利工程大壩壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對水利工程大壩運(yùn)行監(jiān)測結(jié)果、實(shí)際案例、選料要求進(jìn)行了討論，為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

一、水利工程壩體設(shè)計(jì)選料要求

在水利工程壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，還需要簡單了解壩體設(shè)計(jì)的選料要求，主要可以分為兩個(gè)方面，分別為面板混凝土原材料以及止水系統(tǒng)材料，在面板混凝土原材料中，對耐久性的要求較高，而必須要具有抗風(fēng)吹日曬、雨淋沖刷等侵蝕，還要具有預(yù)防各種化學(xué)反應(yīng)的能力。而在止水系統(tǒng)材料中，要使用柔性的嵌縫材料，比如，橡膠止水帶等，但是因?yàn)椴煌貐^(qū)之間的氣溫不同，部分地區(qū)的氣溫溫差較大，因此對止水系統(tǒng)材料的性能要求較高，下表為：某水庫工程的止水系統(tǒng)材料性能：

二、水利工程大壩壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）壩體分區(qū)以及壩料設(shè)計(jì)

在大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，壩體分區(qū)和壩料設(shè)計(jì)尤為重要，以某水庫為例通過對該工程的筑壩材料的性能分析后，可以發(fā)現(xiàn)該工程中混凝土面板以下壩體被分為了墊層區(qū)、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)，且在周邊縫下游部位設(shè)有特殊的墊層小區(qū)。由此可知，該工程采取了改善堆石壩的結(jié)構(gòu)，使上下游的堆石體模量差保持在最小范圍內(nèi)，且加強(qiáng)了壩體的對視碾壓，選擇了有利的施工時(shí)段，從根本上保證了壩體填筑質(zhì)量和結(jié)構(gòu)運(yùn)行要求。

（二）混凝土面板及趾板設(shè)計(jì)

在水載荷的作用下，混凝土面板的大部分區(qū)域會(huì)受到一定的壓力，因此在壩頂或者近岸邊差處會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)變，造成面板或者堆石體發(fā)生變性，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要對混凝土面板和趾板進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如，在某水庫中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，就將混凝土面板的厚度采用連續(xù)變截面的形式，讓最大厚度和最小厚度保持在0.5m和0.3m處。而且在面板間的伸縮縫中設(shè)置縱縫，不設(shè)置水平縫。并且選擇了有利于面板混凝土澆筑的時(shí)機(jī)，避免出現(xiàn)混凝土早凍的現(xiàn)象。

（三）結(jié)構(gòu)分縫以及止水設(shè)計(jì)

根據(jù)壩體材料分區(qū)和對大壩具體的性能要求，根據(jù)壩體施工的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)過程中除了要考慮上述兩個(gè)方面之外，還要考慮到結(jié)構(gòu)分縫和止水設(shè)計(jì)的內(nèi)容。可以參考采納國內(nèi)外的已經(jīng)建立完工的同類工程，根據(jù)施工地區(qū)的溫控條件、地質(zhì)條件、施工強(qiáng)度等信息，對壩體的結(jié)構(gòu)分縫進(jìn)行設(shè)計(jì)。

三、水利工程大壩運(yùn)行監(jiān)測結(jié)果

（一）壩體沉降

在對大壩進(jìn)行運(yùn)營監(jiān)測的過程中，首先要觀察的是壩體的沉降情況，要將整個(gè)監(jiān)測過程劃分為兩個(gè)部分，五個(gè)小點(diǎn)完成工作，兩個(gè)部分對應(yīng)沉降的兩個(gè)高程，五個(gè)小點(diǎn)對應(yīng)五個(gè)測點(diǎn)。在通過兩種儀器測量得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，還要通過計(jì)算分析壩體和面板平面之間的三位應(yīng)力，并且對筑壩材料的允許范圍進(jìn)行討論，作為壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。值得注意的是，要將重點(diǎn)放在對壩基溶洞和水庫防滲層、巖層等情況的討論上。以上文中提及的江蘇某水庫為例，在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，該水庫大壩的沉降量會(huì)隨著大壩填筑高度的增加而不斷增大，符合壩體沉降的一般規(guī)律。而在大壩填筑到達(dá)最高時(shí)，五個(gè)測點(diǎn)的沉降量增加程度相對減弱，即使在蓄水后沉降量也沒有明顯增加，由此可知，在大壩修建的前期，大壩的沉降量會(huì)隨著壩體高度的增加而增加，成正比例關(guān)系，而在大壩修剪后期，整體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，壩體沉降量較為穩(wěn)定。而在竣工階段，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，最大沉降點(diǎn)位于壩軸線處，該點(diǎn)的最大沉降值為20.2厘米，占整體壩高56.6厘米的0.38%，當(dāng)水庫進(jìn)入蓄水期后，壩體的最大沉降值為25.2厘米，占整體壩高的0.47%。將該水庫的沉降情況和國內(nèi)同類工程對比后發(fā)現(xiàn)，該水庫壩體沉降量偏小，整體結(jié)構(gòu)較優(yōu)。

（二）壩體水平位移

壩體水平位移的監(jiān)測工作也是壩體運(yùn)行監(jiān)測環(huán)節(jié)中的重要內(nèi)容，通過對壩體水平位移的觀察能夠真實(shí)地反映出水庫大壩的真實(shí)情況，并且利用所得到的數(shù)據(jù)判斷大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，還能夠作為大壩改造的參考數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的水庫大壩水平位移監(jiān)測方式中，最常使用的是經(jīng)緯儀測量法或者視準(zhǔn)測量法。但是這種方法的準(zhǔn)確性相對較低，尤其是在水平位移監(jiān)測中還需要結(jié)合水庫大壩的變形量情況，為了滿足精確度要求，現(xiàn)階段自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)不斷發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)式、光電式、感應(yīng)式等自動(dòng)遙感器設(shè)備的使用，從根本上提高了監(jiān)測效果的精確度。

（三）面板周邊縫位移監(jiān)測

面板的周邊縫位移情況是大壩變形監(jiān)測中極為重要的內(nèi)容，需要通過電位式三項(xiàng)測縫計(jì)檢測面板和趾板的相對沉降量發(fā)展情況進(jìn)行觀測，還要對剪切以及縫隙的開合程度進(jìn)行觀察。通過監(jiān)測的具體數(shù)據(jù)信息，判斷大壩在施工期、蓄水期的周邊縫止水系統(tǒng)的性能。比如水布埡大壩的左右兩岸地形相對較陡，周圍存在大量的堆石體，這種本身就會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降的情況，更容易造成面板和趾板的變形，在這樣的情況下，更要對周邊縫的位移情況進(jìn)行監(jiān)測。在監(jiān)測時(shí)還要注意儀器的安裝調(diào)試和保護(hù)工作，必須要在儀器周圍使用鋼罩或者混凝土保護(hù)墩加以保護(hù)，以免在監(jiān)測過程中對儀器產(chǎn)生破壞。

綜上所述，在對大壩進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，通過結(jié)合其他設(shè)計(jì)方法，根據(jù)大壩修建地區(qū)的氣候特點(diǎn)、地理位置等方面進(jìn)行考察，對大壩進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使大壩在建造的過程中，保證大壩能夠較好的使用當(dāng)?shù)氐奶攸c(diǎn)。另外在大壩建造之后，通過對大壩的壩體沉降、水平位移、運(yùn)行情況監(jiān)測、周邊縫位移進(jìn)行檢測，能夠了解大壩的總體運(yùn)行狀況良好。

（作者單位：464031河南省信陽市南灣水庫管理局）