基于支墩壩和斜拉橋技術(shù)的斜拉壩模型

辛振科

(西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院,西安 710048)

0 前 言

近年來(lái)，壩工技術(shù)朝著更安全、更經(jīng)濟(jì)、更美觀、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展[1-2]。壩工技術(shù)取得了系列重大進(jìn)展和突破，最大壩高已突破300 m，各種新壩型也是不斷涌現(xiàn)，如膠結(jié)壩、自密實(shí)混凝土堆石壩、橡膠壩等。然而要建更高的大壩則存在較大的技術(shù)難題。瀝青混凝土防滲體堆石壩被認(rèn)為是將來(lái)最有可能的高壩[3]，但目前修建的最高瀝青混凝土防滲體壩去學(xué)大壩壩高為173.2 m[4]。斜拉橋自1956年問(wèn)世以來(lái)歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，其理論和技術(shù)已較為成熟和完善。目前世界上建成的最大跨徑的斜拉橋?yàn)槎砹_斯島大橋，主跨徑為1 104 m，于2012年7月完工。國(guó)內(nèi)的蘇通長(zhǎng)江大橋主跨1 088 m。重慶嘉陵江長(zhǎng)江大橋?yàn)閱嗡髅嫘崩瓨蛑械慕?jīng)典。港珠澳跨海大橋采用了斜拉橋。滬蘇通長(zhǎng)江公鐵大橋斜拉橋主跨為1 092 m，是世界首個(gè)跨度超過(guò)千米級(jí)的公鐵兩用橋。大壩與橋梁是兩種不同的結(jié)構(gòu)，高度為300 m級(jí)的大壩和跨度為1 000 m級(jí)的斜拉橋之間雖然可比性不高，但仍然存在一定的聯(lián)系和差距。在學(xué)科交叉和技術(shù)融合的背景下，將斜拉橋技術(shù)運(yùn)用到壩工技術(shù)當(dāng)中是一大創(chuàng)新，然而，相關(guān)的研究文獻(xiàn)資料卻尚不多見(jiàn)。為了豐富壩型選擇，促進(jìn)壩工技術(shù)的發(fā)展，本文將單索面斜拉橋與支墩壩有機(jī)結(jié)合，對(duì)支墩壩進(jìn)行優(yōu)化，提出了斜拉壩模型，并對(duì)斜拉壩模型的歷史來(lái)源、主要分類形式、溫控、受力特性及其他優(yōu)勢(shì)和不足做了簡(jiǎn)要介紹。

1 斜拉壩的起源

支墩壩是為了節(jié)約混凝土工程量，由實(shí)體重力壩、空腹重力壩、寬縫重力壩再到支墩壩一步步優(yōu)化發(fā)展而來(lái)。斜拉壩是對(duì)支墩壩的進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。然而，隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)力的提高，支墩壩對(duì)溫度變化敏感，容易產(chǎn)生裂縫[5]；由于混凝土碳化、凍融和沖蝕等原因，支墩壩鋼筋容易發(fā)生銹蝕；斷面較薄，服役壽命較短[6]等問(wèn)題逐漸凸顯，目前工程較少采用支墩壩。支墩壩在某些方面的優(yōu)勢(shì)有可能超過(guò)現(xiàn)存的缺點(diǎn)，將繼續(xù)成為可選的壩型之一，在特定的環(huán)境中重新煥發(fā)出活力。比如清華大學(xué)金峰教授團(tuán)隊(duì)推廣的自密實(shí)混凝土堆石壩[7]在新壩的修建和舊壩加固上面均具有較大優(yōu)勢(shì)，自密實(shí)混凝土堆石壩由于采用了大量超大徑石塊，混凝土用量大量減小，溫度應(yīng)力對(duì)支墩壩的制約被大幅降低，支墩壩的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，斜拉壩作為支墩壩的升級(jí)優(yōu)化版也因此具備了實(shí)際修建的可行性，可采用自密實(shí)混凝土修建斜拉壩立柱(支墩)，不僅降低了大體積混凝土溫控對(duì)斜拉壩的制約，也可提高支墩的強(qiáng)度。具體來(lái)說(shuō)，斜拉壩[8]是將支墩壩結(jié)構(gòu)模型與斜拉橋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)在支墩壩的支墩前設(shè)置拉索來(lái)提供拉力，防止大壩向后傾覆的一種新壩型。

2 斜拉壩的形式

斜拉壩主要由拉索、擋水面板、立柱、地基、錨桿、錨錠和防滲設(shè)施等組成。斜拉橋拉索的布置形式主要有扇型、輻射型、豎琴型3種；根據(jù)擋水面板的形式，支墩壩可分為平板支墩壩、大頭支墩壩、連拱支墩壩3種。因此，根據(jù)拉索布置形式的不同，斜拉壩可分為：扇型拉索斜拉壩、輻射型拉索斜拉壩和豎琴型拉索斜拉壩3種，具體不同斜拉壩模型見(jiàn)圖1。根據(jù)擋水結(jié)構(gòu)的不同，斜拉壩可分為平板斜拉壩、大頭斜拉壩和連拱斜拉壩3種。根據(jù)建壩材料的不同，斜拉壩可分為：鋼筋混凝土斜拉壩和鋼結(jié)構(gòu)斜拉壩。根據(jù)壩體上游面與水平面夾角的不同，斜拉壩可分為：前傾式斜拉壩(壩前壩面與水平面的夾角<90°)、豎直式斜拉壩(壩前壩面與水平面的夾角=90°)、后仰式斜拉壩(壩前壩面與水平面的夾角>90°)。

圖1 斜拉壩模型圖

3 斜拉壩的特點(diǎn)

斜拉壩兩岸壩肩處可設(shè)計(jì)成重力壩形式，利用重力壩段起立柱的作用來(lái)支撐擋水面板，并與岸坡基巖牢牢錨固連接，同時(shí)該重力壩段臨近河道的一面應(yīng)有一定的坡度，該坡度應(yīng)與岸坡坡度相近，以防止岸坡由于該重力壩段影響而失穩(wěn)。樞紐布置可根據(jù)支墩壩和拱壩這類輕型大壩進(jìn)行，具體的斜拉壩壩型選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況進(jìn)行。

斜拉壩各部件作用明確，受力分析簡(jiǎn)單。水壓力作用在面板上，通過(guò)面板將力傳遞給立柱，立柱再通過(guò)拉索將大部分力傳遞給壩前地基。面板簡(jiǎn)支在立柱上，在單位高度上可按照簡(jiǎn)支梁分析。立柱與地基固結(jié)，視為懸臂梁分析。拉索為桿單元，用錨錠鉸接在立柱和地基之間，拉索只承受拉力，不承受壓力。斜拉壩屬于超靜定結(jié)構(gòu)，超載能力強(qiáng)。

采用拉索替代大部分支墩的體積，會(huì)使得支墩剛度減小，自振周期增大，因此支墩的建筑材料宜選用更高強(qiáng)度的混凝土和鋼材。支墩壩水壓力主要由支墩承擔(dān)；而斜拉壩水壓力主要由拉索承擔(dān)，支墩只承受少部分水壓力，支墩上下游的坡比應(yīng)根據(jù)支墩承擔(dān)水壓力占比的多少以及支墩的強(qiáng)度和剛度并通過(guò)理論計(jì)算、模型試驗(yàn)或者有限元分析等手段來(lái)確定。拉索索力的理論計(jì)算方法主要有頻率法、垂度法、磁通量法、壓力表測(cè)試法、有限元分析法和模型預(yù)測(cè)法等，其中頻率法的理論計(jì)算方法[9]如下所示。公式推導(dǎo)的力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 斜拉索力學(xué)模型圖

斜拉索橫向振動(dòng)的平衡微分方程為：

(1)

式中：K1、K3為斜拉索兩端橫向約束支撐剛度，N/m；K2、K4為斜拉索兩端橫向轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度，N/m；EI為斜拉索抗彎剛度，N/m；m為斜拉索線密度，kg/m；T為斜拉索張力，N；L為斜拉索計(jì)算長(zhǎng)度，m；t為時(shí)間，s。

由斜拉索振動(dòng)微分方程，假定斜拉索兩端為簡(jiǎn)支邊界條件下求得的工程常用索力計(jì)算公式為：

(2)

式中：fn為斜拉索n階振動(dòng)頻率，Hz。

斜拉壩是一種輕型壩,斜拉壩壩體單薄，壩底揚(yáng)壓力較小，有利于壩體穩(wěn)定。地基中繞過(guò)面板底面的滲流，滲透途徑短，水力坡降大，單位巖體承受的滲流體積力也大，要求面板與地基的連接以及防滲帷幕都必須做得十分可靠。面板和支墩的厚度小，施工期混凝土散熱條件好，但對(duì)溫度變化很敏感，特別是作為整體結(jié)構(gòu)的斜拉連拱壩，對(duì)溫度變化的反應(yīng)更為靈敏，所以混凝土斜拉壩宜修建在氣候溫和地區(qū)，在施工期應(yīng)注意采取保溫措施。

斜拉壩各壩段獨(dú)立作用、可適應(yīng)地基的不均勻沉降、可根據(jù)河床地質(zhì)條件，選擇立柱的位置。同一工程中相鄰兩個(gè)擋水面板的寬度可取不同，但不宜相差太大，立柱兩側(cè)牛腿受到的力大小不同，會(huì)對(duì)立柱產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)作用。根據(jù)實(shí)際工程情況、對(duì)斜拉壩壩軸線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、成直線或折線形式。同一工程中可采用多種斜拉壩形式。

斜拉壩模型不僅可以擋水，還可以擋土，可以嘗試用于河道護(hù)岸治理、港口碼頭建設(shè)以及邊坡基坑支護(hù)等。斜拉壩模型擋土?xí)r與斜拉板樁碼頭[10]模型雖有點(diǎn)相似，但不完全相同。斜拉板樁碼頭模型如圖3所示，可以看出：斜拉板樁碼頭主要是由鋼筋混凝土前墻和鋼筋混凝土斜拉樁來(lái)抵抗土壓力。

圖3 斜拉板樁碼頭圖

斜拉壩壩頂可鋪裝橋板，以便行人車輛通行和門機(jī)安裝運(yùn)行，斜拉壩壩頂也可過(guò)流。前傾式斜拉壩可以順著壩面溢流，下游可以采用挑流等方式進(jìn)行消能，對(duì)下游基礎(chǔ)的沖刷破壞較小。支墩壩壩趾處在運(yùn)行期會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，壩踵處會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，因而在壩踵處容易產(chǎn)生裂縫。前傾式斜拉壩溢流壩段模型見(jiàn)圖4，壩體自重可抵消部分水壓力，在蓄水前壩踵處產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，而在壩趾處產(chǎn)生拉應(yīng)力，這與運(yùn)行期的斜拉壩剛好相反，如此一正一反可抵消運(yùn)行期部分壩踵處的拉應(yīng)力，有利于提高壩踵的抗拉能力，有效避免壩踵處拉裂縫的產(chǎn)生。關(guān)于在施工期前傾式斜拉壩壩趾處混凝土是否滿足抗拉要求和壩體穩(wěn)定，可通過(guò)有限元分析等手段來(lái)設(shè)計(jì)壩體的前傾角度和施工進(jìn)度。

圖4 前傾式斜拉壩溢流壩段模型圖

斜拉壩擋水面板可采用鋼材制作，拉索可考慮采用輕質(zhì)高強(qiáng)耐腐蝕耐疲勞的CFRP等材料制成，可以充分利用CFRP材料強(qiáng)度，在施工期給拉索施加一定大小的預(yù)拉力，減小后仰式斜拉壩壩踵處的拉應(yīng)力。對(duì)于服役時(shí)間較久的斜拉壩，拉索有可能會(huì)被腐蝕而使其強(qiáng)度不滿足要求，對(duì)于該類拉索可在枯水期進(jìn)行更換，或者采用增大截面法對(duì)其進(jìn)行加固。

相較于重力壩而言，抗滑穩(wěn)定不再是斜拉壩的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，因?yàn)橹亓问且揽孔陨碇亓S持穩(wěn)定，而斜拉壩主要依靠拉索提供拉力來(lái)維持穩(wěn)定。因此將拉索牢牢錨定在壩前地基上是斜拉壩穩(wěn)定與否的關(guān)鍵，有必要對(duì)斜拉壩壩前地基基礎(chǔ)的錨桿、抗拔樁等的抗拔機(jī)理[11]進(jìn)行深入研究。相較于支墩壩，斜拉壩的支墩體積大幅減小，減少了混凝土和溫控的工程量。

斜拉壩拉索與壩體連接的一端主要連接在壩體的支墩上，拉索與壩前地基基礎(chǔ)連接的一端主要連接在河床或者岸坡上。拉索與支墩連接的技術(shù)特點(diǎn)與斜拉橋立柱和拉索的連接技術(shù)相似。拉索與壩前河床連接時(shí)，如果遇到深覆蓋層，則拉索的錨固將存在較大的技術(shù)難題，因此，在較寬的河床上修建斜拉壩，對(duì)壩址處的地質(zhì)條件要求較高，需河床覆蓋層較淺，基巖堅(jiān)硬完整。拉索與壩前岸坡連接時(shí)，用錨固拉索的錨桿、抗拔樁等會(huì)同時(shí)起到岸坡抗滑樁的作用，有利于岸坡的穩(wěn)定，同時(shí)，拉索拔拉力的豎向分力會(huì)平衡岸坡巖體的部分重力，這在一定程度上也有利于岸坡的穩(wěn)定，如果在深“V”形峽谷中修建斜拉壩，可考慮將拉索連接在岸坡上，這有利于岸坡穩(wěn)定的同時(shí)，會(huì)減少施工導(dǎo)截流的工程量，減小截流的上下游水頭差，導(dǎo)流隧洞的長(zhǎng)度也將大幅減小。岸坡上錨定的施工不影響斜拉壩大壩主體的施工，有利于縮短工程建設(shè)周期。傳統(tǒng)拱壩將力傳遞給了兩岸壩肩，這對(duì)兩岸壩肩地質(zhì)構(gòu)造要求較高，斜拉連拱支墩壩在大壩中部設(shè)置立柱和拉索來(lái)承擔(dān)拱形面板傳遞過(guò)來(lái)的水壓力使得兩岸壩肩的壓力大大減輕，降低了壩址處兩岸壩肩巖性對(duì)大壩建設(shè)的約束。圖5為斜拉連拱支墩壩拉索連接在兩岸岸坡上的大壩模型。從圖5可以直觀的看出該模型具有較好的景觀效果，立柱兩邊的擋水面板就像工人張開(kāi)的臂膀、也像翻開(kāi)的書(shū)本，兩邊的拉索猶如蜻蜓的薄翼一般，總體看上去較為美觀。

圖5 斜拉連拱支墩壩拉索與岸坡的連接圖

斜拉壩模型除了用于新壩的建設(shè)外，也可考慮用于老舊支墩壩的加固。針對(duì)平板支墩壩不滿足抗滑(抗傾)要求的問(wèn)題，T.庫(kù)努夫等[12]發(fā)明了一種支墩壩加固新技術(shù)，當(dāng)采用斜拉壩模型加固支墩壩時(shí)，隨著庫(kù)水位下降，可考慮在支墩壩支墩上面打孔，將拉索牢牢連接在支墩上，拉索另一端連接在支墩壩上游水下河床上面或者上游兩岸岸坡基巖上面，這也是一種加固支墩壩的方法。

由于斜拉索頂替了支墩大部分抵抗水壓力的功能，使得支墩體積大幅減小，這使得斜拉壩在降低混凝土溫控、減小混凝土工程量和縮短工期等方面具有優(yōu)勢(shì)。而斜拉壩的經(jīng)濟(jì)性不僅體現(xiàn)在降低溫控、減小混凝土工程量和縮短工期等方面，更主要的是豐富了壩型的選擇。傳統(tǒng)三大壩型(土石壩、重力壩和拱壩)的建造都會(huì)受到建材、地形、地質(zhì)等方面的約束，當(dāng)某一壩址都不適宜建造土石壩、重力壩和拱壩時(shí)，可以考慮修建斜拉壩，這將給大壩的建造帶來(lái)較高的經(jīng)濟(jì)效益。

斜拉壩模型的提出有可能使得大壩壩高突破300 m級(jí)，向著400 m級(jí)甚至500 m級(jí)高壩發(fā)展，主要是基于現(xiàn)在的斜拉橋技術(shù)考慮，現(xiàn)今的斜拉橋主跨早已突破1 000 m級(jí)，同時(shí)也是對(duì)未來(lái)科技發(fā)展抱有積極樂(lè)觀的自信。任何新技術(shù)，既冠名為新，就意味著缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和存在一定的風(fēng)險(xiǎn)[13]，斜拉壩壩高突破300 m級(jí)亦是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，當(dāng)下只是提出了斜拉壩這種新壩模型，斜拉壩的發(fā)展必然是從低壩、中壩、高壩到超高壩方向逐漸發(fā)展，過(guò)程中還將遇到很多難題，這都需要相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者去深入研究。隨著相關(guān)斜拉壩理論不斷完善和實(shí)際工程的逐漸驗(yàn)證，可以對(duì)斜拉壩模型不斷地進(jìn)行迭代優(yōu)化，理論和技術(shù)不斷完善。

斜拉橋技術(shù)已在水利工程領(lǐng)域有著較廣泛的運(yùn)用，如斜拉板樁碼頭、斜拉渡槽、斜拉管橋等，但在水利壩工領(lǐng)域的運(yùn)用卻較少。斜拉壩是橋梁技術(shù)和壩工技術(shù)之間連接的一條紐帶，斜拉壩的發(fā)展必將促進(jìn)壩工技術(shù)和橋梁技術(shù)的發(fā)展，使得二者取長(zhǎng)補(bǔ)短、相互融合。

4 結(jié) 語(yǔ)

斜拉壩是一種新的壩工模型，通過(guò)引入斜拉橋技術(shù)對(duì)支墩壩進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化，是聯(lián)系橋梁技術(shù)和壩工技術(shù)的一條紐帶，但還需要深入的研究和實(shí)際工程的檢驗(yàn)，也希望得到有關(guān)學(xué)者的關(guān)注和討論。