混凝土重力壩設(shè)計要點分析

李陽

摘要：本文基于該水電工程的重力壩設(shè)計，針對混凝土重力壩的實際特點，對壩體的斷面設(shè)計、穩(wěn)定應(yīng)力、施工溫度應(yīng)力以及溫控防裂措施進行了簡單分析，本文充分考慮當(dāng)前先進的設(shè)計理論應(yīng)用，分析科學(xué)合理的設(shè)計方法，探討適合我國混凝土重力壩的設(shè)計方法，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：重力壩;混凝土;設(shè)計

【中圖分類號】TV6【文獻標識碼】A【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.34.048

1工程概況

目前，某水電站碾壓混凝土址區(qū)多年平均降雨量1370.6mm，壩址多年平均流量1640m3/s，年均徑流量517億m3，實測最大流量16900m3/s，調(diào)查最大流量21500m3/s.河流泥沙以懸移質(zhì)為主，多年平均輸沙量4570萬t，平均含沙量0.726kg/m3。本文針對混凝土重力壩的結(jié)構(gòu)特點，參考該水電工程的成功案例，對壩體應(yīng)力計算和承載能力、施工期間壩體溫度應(yīng)力分析以及溫控防裂方法等進行了詳細具體的研究，其主要研究方法共分為四個重要方面，分別為混凝土重力壩的應(yīng)力分析和穩(wěn)定應(yīng)力分析，重力壩的溫度應(yīng)力分析，混凝土重力壩施工層面處理和快速施工以及高溫多雨環(huán)境重力壩的設(shè)計方案。

2重力壩的斷面設(shè)計和穩(wěn)定應(yīng)力分析

重力壩的設(shè)計要依據(jù)其具體的地形、地質(zhì)、壩體布置以及施工條件等特點，重力壩的斷面設(shè)計要遵循以下基本原則：

（1）在實際的設(shè)計過程中，壩體應(yīng)力分布規(guī)律必須是合理的。一般重力壩體絕大部分區(qū)域均為壓應(yīng)力區(qū)，設(shè)計時應(yīng)滿足許用應(yīng)力的要求。在壩踵、壩趾角點附近很小區(qū)域內(nèi)存在張拉、剪應(yīng)力集中區(qū)。設(shè)計時宜將重力壩的抗壓安全系數(shù)區(qū)域控制在壩底寬的10%以下。

（2）采用材料強度儲備法的研究結(jié)果表明：壩體穩(wěn)定控制部位是建基面及附近的碾壓混凝土層面，該部位穩(wěn)定強度儲備安全系數(shù)最小。各斷面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K控制在3.0以上，穩(wěn)定強度儲備系數(shù)ξ應(yīng)大于2.5，壩體具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定安全儲備。

（3）大壩動力分析表明，地震作用工況對大壩斷面設(shè)計不起控制作用。大壩體型設(shè)計如果合理的，大壩將具有較好的抗震性能，但由于層間弱面的存在，壩踵和壩趾的應(yīng)力集中程度的范圍將有所惡化，需要給予充分重視。

3考慮施工期溫度變化效應(yīng)的碾壓混凝土重力壩的設(shè)計思路

3.1碾壓混凝土重力壩與常態(tài)混凝土重力壩的差異

目前，針對常態(tài)混凝土重力壩施工期溫度變化效應(yīng)的研究比較成熟，但由于碾壓混凝土重力壩出現(xiàn)時間并不長，研究的系統(tǒng)性、深度相對不足，于是很多人習(xí)慣于采用常態(tài)混凝土重力壩的觀點和方法來考慮碾壓混凝土重力壩的設(shè)計問題，這就難免產(chǎn)生偏差，實際上碾壓混凝土重力壩與常態(tài)混凝土重力壩在施工期溫度變化效應(yīng)方面有明顯的差別，主要表現(xiàn)在以下3個方面：（1）碾壓混凝土配用水泥較少，摻用大量粉煤灰，水化熱較常態(tài)混凝土少，這是事實，但因主要采用通倉薄層快速澆筑方式，壩體內(nèi)部熱量不易散失，沿澆筑層高度方向溫差大，恒溫時間很長，例如某壩高140m的碾壓混凝土重力壩經(jīng)仿真分析，溫度場穩(wěn)定時間需在30年以上，所以同樣溫差條件下碾壓混凝土重力壩內(nèi)部溫度應(yīng)力比常態(tài)混凝土大。（2）碾壓混凝土水泥含量少，抗拉強度和徐變較小，所以其抗裂能力較弱，再加上一般不設(shè)置縱縫和埋設(shè)冷卻水管，施工期間更易出現(xiàn)表面裂縫和上游面劈頭裂縫。（3）碾壓混凝土重力壩在壩基上通常會澆筑2m厚的常態(tài)混凝土面板，以便停歇一段時間（如2個月）后進行基巖固結(jié)灌漿，該面板常出現(xiàn)貫穿性裂縫，并會向上擴展到碾壓混凝土層，即使跨裂縫布設(shè)騎縫鋼筋也難以避免。以上特點決定了碾壓混凝土重力壩溫控設(shè)計思路與常態(tài)混凝土重力壩不同。

3.2碾壓混凝土重力壩施工期溫度控制思路

基于碾壓混凝土重力壩施工期溫度變化效應(yīng)，提出以下設(shè)計思路：（1）優(yōu)化混凝土配合比，協(xié)調(diào)溫度應(yīng)力與混凝土抗拉強度關(guān)系。在滿足混凝土強度、極限拉伸值、抗?jié)B、抗凍等指標基礎(chǔ)上，配制線膨脹系數(shù)小、彈性模量低、澆筑性能好、抗拉強度高的混凝土，例如增加Ⅰ級粉煤灰摻量，摻加高效緩凝減水劑和引氣劑，以降低水膠比。合理選擇的骨料級配，例如采用四級配混凝土，石子骨料按特大石：大石：中石：小石=2：3：3：2（最大粒徑控制在120mm）配制，減少膠凝材料用量，可以簡化溫控措施，提高碾壓層厚（采用50cm）和施工進度。（2）溫控措施應(yīng)結(jié)合混凝土澆筑計劃，也就是根據(jù)混凝土澆筑時的溫度變化、澆筑部位等情況采取相應(yīng)的溫控措施。年溫變化較大的地區(qū)，碾壓混凝土溫度應(yīng)力更大，所以應(yīng)采取更嚴格的溫控措施，反之則可采取較為寬松的溫控措施。在大壩強約束和溫度降幅大的部位，應(yīng)采取更嚴格的溫控措施，而在大壩次要部位和溫度降幅小的部位，可采取相對寬松的溫控措施。（3）溫控措施應(yīng)結(jié)合溫控標準和溫控對象。施工期混凝土約束應(yīng)力主要呈現(xiàn)廣泛分布狀態(tài)，對混凝土自身缺陷較為敏感，所以溫控標準要求更高，溫控措施更加嚴格。同時針對不同的溫控對象要有相應(yīng)的溫控措施，例如水閘底板閘墩以限裂設(shè)計為主導(dǎo)，而廠房進水口框架以抗裂設(shè)計為主導(dǎo)，這些情況不應(yīng)等同于混凝土重力壩。（4）鑒于碾壓混凝土重力壩施工期溫度變化效應(yīng)的復(fù)雜性，應(yīng)結(jié)合大壩結(jié)構(gòu)、施工過程、計算能力與精度要求，并且同時考慮溫度、水壓力和大壩自重三種負荷，采用有限元法計算大壩溫度應(yīng)力。

4結(jié)語

施工期溫度變化效應(yīng)是碾壓混凝土重力壩設(shè)計工作中關(guān)鍵問題之一，而溫控措施主要基于成本、質(zhì)量、進度三方面考慮，然而無論采取哪種措施，各種措施的綜合協(xié)調(diào)運用都是最重要的，只有綜合壩型、材料、施工、環(huán)境等條件采取最有利的做法，才能確保大壩安全運行。

參考文獻

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