周鶴翔

（中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

水利工程大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)探討

周鶴翔

（中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

因?yàn)樗こ坦δ茏饔玫奶厥庑?，大壩結(jié)構(gòu)經(jīng)常受水流沖刷，受外界各因素干擾影響大，如果設(shè)計(jì)施工不當(dāng)，很容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)損失，情況嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)生安全事故?；谒こ檀髩问┕ひ螅瑢?duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，確保施工結(jié)果可以達(dá)到專業(yè)要求，文章對(duì)此進(jìn)行了簡要分析。

水利工程；大壩；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水利工程行業(yè)發(fā)展迅速，逐漸有更多新型技術(shù)與材料被應(yīng)用其中，對(duì)進(jìn)一步提高工程施工效果具有重要意義。尤其是大壩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工，因?yàn)槠涔δ苄缘奶厥庑?，為延長其服務(wù)年限，保證其具有良好的運(yùn)行效果，必須要結(jié)合作用要求，以及施工特點(diǎn)，做好各設(shè)計(jì)要點(diǎn)的控制，提高設(shè)計(jì)方案的合理性與可操作性，減少各類問題的發(fā)生，保證施工結(jié)果達(dá)到專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1　水利工程大壩結(jié)構(gòu)分析

大壩作為水利工程重要組成部分，其所處環(huán)境比較特殊，需要承受的荷載較大，且很容易受到外界各因素的干擾，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)加大質(zhì)量隱患出現(xiàn)的可能性。基于此，為充分發(fā)揮水利工程大壩功能，延長其服務(wù)壽命，必須要重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管理，提高設(shè)計(jì)方案的合理性與科學(xué)性，在降低施工難度的同時(shí)，提高施工效果，保證結(jié)構(gòu)具有抵抗外力影響的能力。水利工程施工環(huán)境比較復(fù)雜，且因?yàn)槎嗵幱谝巴猸h(huán)境，受地質(zhì)地形影響嚴(yán)重，要重視大壩結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，提前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地質(zhì)勘察，將勘察結(jié)果作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。隨著水利工程規(guī)模的加大，大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度也不斷提高，且近年來水患問題嚴(yán)重，均對(duì)大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更為嚴(yán)格的要求。而大壩結(jié)構(gòu)一旦施工完成后，如果出現(xiàn)質(zhì)量問題，處理難度比較高，返修工作難以有效展開，因此要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有高度的合理性，可以適應(yīng)地質(zhì)與氣候環(huán)境，有效抵消外界因素的干擾，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)所具有的功能，達(dá)到預(yù)期的效果。

2　水利工程大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

2.1工程概述

以某水利工程為例，對(duì)其大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。壩址以上流域面積2860km2，多年平均年徑流量12.32億m3，總庫容量2.314億m3，電站裝機(jī)60MW，工程等別為Ⅱ等。工程組成主要包括混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪洞、發(fā)電引水系統(tǒng)以及電站廠房等，其中壩頂長280m，壩頂高程552.3m，防浪墻頂高程550.2m，壩頂寬6m，最大壩高56.8m，上游壩坡1∶1.4，下游壩坡1∶1.3［1］。且混凝土面板厚度0.3～0.5m，趾板厚0.8m。壩體分為墊層區(qū)、主堆石區(qū)、過渡層區(qū)、次堆石區(qū)以及周邊縫下游設(shè)置的特殊墊層小區(qū)。工程壩址日內(nèi)溫差大，孔隙水結(jié)冰充分，存在多次凍融情況，因此壩體所選面板應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、抗凍性、耐久性以及柔性等特點(diǎn)，可以完全滿足大壩結(jié)構(gòu)施工要求。

3　壩體材料選擇

3.1面板混凝土

面板服務(wù)壽命主要由面板混凝土耐久性決定，在大壩服務(wù)過程中，面板會(huì)受氣候因素以及各種物理因素干擾，如風(fēng)吹日曬、沖刷抗凍融、溶蝕、疲勞、碳化等，所產(chǎn)生的影響并不會(huì)直接表現(xiàn)出來。因此，在選擇面板混凝土材料時(shí)，需要保證其具有良好的耐久性，對(duì)延長其服務(wù)壽命具有重要意義?？梢赃x擇多種性能材料，通過對(duì)工程建設(shè)要求進(jìn)行分析，對(duì)比分析后選擇最為合適的材料。且為充分發(fā)揮材料所具有的性能，還可以根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)材料強(qiáng)度、水灰比等指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。

3.2止水材料

面板接縫包括周邊縫與伸縮縫兩種，其中周邊縫即面板與趾板間接縫，而伸縮縫又可以分為防浪墻與面板間接縫、趾板間接縫和防浪墻間接縫以及面板間接縫。本工程壩址區(qū)多年平均氣溫2.5℃，雖低氣溫可達(dá)-41.3℃，最高氣溫35.2℃，溫度浮動(dòng)大。基于此在選擇止水材料時(shí)，需要確保其可以滿足工程施工要求，要求所選柔性嵌縫材料60℃環(huán)境下，不會(huì)出現(xiàn)流淌現(xiàn)象，且低溫-45℃不會(huì)脆裂，變形率大于40%，具有較高的耐久性［2］。

4　水利工程大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合工程所選筑壩材料性質(zhì)，以及面板壩工作條件，在對(duì)大壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將其劃分為墊層區(qū)、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)間以及周邊縫下游部位特殊墊層小區(qū)［3］。

4.2材料選擇

（1）墊層區(qū)。墊層區(qū)主要作用是為混凝土面板提供均勻性與穩(wěn)定性高的地壓縮性基礎(chǔ)，并滿足滲透穩(wěn)定準(zhǔn)則和嚴(yán)寒地區(qū)墊層料透水準(zhǔn)則。設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)建設(shè)要求來選擇材料，石料質(zhì)地要新鮮，堅(jiān)硬且具有良好的耐久性，粒徑最大在8cm以內(nèi)，且小于0.5cm的含量要控制在25%～40%左右，不足0.01cm的含量應(yīng)在5%以內(nèi)。連續(xù)級(jí)配料，Cu＞20，滲透系數(shù)K=i×10-3cm/s［4］。鋪筑與碾壓階段，對(duì)墊層料和過渡層料進(jìn)行充分混合，提高面板均勻性與穩(wěn)定性，并將造價(jià)控制在預(yù)算范圍內(nèi)［4］。

（2）主堆石區(qū)。主堆石區(qū)為水利工程大壩結(jié)構(gòu)的主要組成部分，所選石料質(zhì)量、密度與沉降量是否達(dá)到施工要求，將會(huì)直接影響面板大壩結(jié)構(gòu)安全性。因此要盡量選擇質(zhì)地堅(jiān)硬、級(jí)配良好的石料，且要將其最大粒徑控制在60cm以內(nèi)，不足0.5cm的含量要在總量的20%以內(nèi)，不足0.01cm則應(yīng)為總量的5%以內(nèi)。連續(xù)級(jí)配料，Cu＞15。對(duì)于主堆石區(qū)來說，其可以與下游堆石不均勻變形造成面板產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，產(chǎn)生面板裂縫。這樣在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主堆石與下游堆石區(qū)需要選擇同一種材料，降低上下堆石體模量差。

4.3混凝土面板設(shè)計(jì)

面板受水荷載影響，會(huì)存在大部分區(qū)域受壓，且會(huì)在壩頂與近岸位置產(chǎn)生拉應(yīng)變，且面板應(yīng)變與堆石體變形存在密切聯(lián)系。本工程混凝土面板厚度選擇用連續(xù)變截面設(shè)計(jì)箱式，確定最大厚度0.5m，最小厚度0.3m。且只設(shè)置了縱縫，未設(shè)置永久水平縫，其中垂直縫與河谷中部間距12m，與兩岸間距6m。另外，還對(duì)面板中部位置設(shè)置了單層雙向鋼筋，適當(dāng)?shù)奶岣吡伺浣盥剩?］。

4.4趾板設(shè)計(jì)

趾板即以灌漿帷幕為主，用于連接地下防滲體系與地上防身結(jié)構(gòu)的承上啟下的結(jié)構(gòu)，本工程選擇了平趾板方式，板厚0.8m。趾板線需要通過面板地面和趾板下游面交線進(jìn)行控制，綜合分析基巖破碎、風(fēng)化情況，采取了滲透比降和基礎(chǔ)處理，控制趾板最大寬度為6.0m，最小為4.0m，并且每隔12m便需要設(shè)置一條伸縮縫。另外，為提高趾板與基巖連接效果，還利用錨桿進(jìn)行了錨固處理，插入巖石3.5m，根據(jù)實(shí)際情況確定每隔1.2m2便設(shè)置一根。

5　運(yùn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果

5.1壩體沉降

對(duì)壩體沉降度進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，確定為兩個(gè)高層、五個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以確定隨著大壩填筑高度的增加，沉降量也不斷增大，當(dāng)大壩填筑到頂端后，各測(cè)點(diǎn)沉降量會(huì)逐漸降低，且蓄水后個(gè)測(cè)點(diǎn)沉降量也無明顯變化。

5.2水平位移

對(duì)壩體水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，可以利用各高層處引張線水平位移為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算。監(jiān)測(cè)后確定測(cè)點(diǎn)水平位移存在一定規(guī)律，施工階段位移量呈現(xiàn)總體向上游移動(dòng)現(xiàn)象，蓄水后位移方向則更改為向下游，并且水位位移程度比較小，經(jīng)常一段時(shí)間后總體逐漸趨于穩(wěn)定［6］。

5.3周邊縫位移

利用各測(cè)點(diǎn)對(duì)周邊縫沉降、剪切以及開合度過程線進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以確定，混凝土面板周邊縫變形情況比較小，存在較小的止水破壞概率。同時(shí)經(jīng)過滲漏監(jiān)測(cè)后，確定工程面板滲漏量為13.8×10-3m3/s，年滲水量為43萬m3，在設(shè)計(jì)滲漏量范圍內(nèi)。

6　結(jié)束語

水利工程為社會(huì)建設(shè)重要基礎(chǔ)項(xiàng)目，建設(shè)效果與社會(huì)生產(chǎn)生活均有著密切聯(lián)系，需要重點(diǎn)做好其施工技術(shù)與操作工藝的分析與管理，提高各項(xiàng)作業(yè)實(shí)施的規(guī)范性。重點(diǎn)分析大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)各個(gè)分區(qū)設(shè)計(jì)內(nèi)容做好控制，且在運(yùn)行后要做好監(jiān)測(cè)，保證設(shè)計(jì)結(jié)果可以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

［1］何金平，李珍照，施玉群. 大壩結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)方法研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2001，（2）：36-43.

［2］“635”水利樞紐大壩心墻防滲土料工程特性及防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.新疆水利，2000，（5）：5-13.

［3］薛興祖，程玉輝.老龍口水利樞紐工程大壩優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2008，（5）：59-61.

［4］鄧銘江，韓民，陸鳴，等.卡拉貝利水利樞紐地震安全評(píng)價(jià)及大壩抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.水利水電技術(shù)，2012，（9）：59-64.

［5］楊捷，何金平，李珍照.大壩結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)性態(tài)綜合評(píng)價(jià)中定量評(píng)價(jià)指標(biāo)度量方法的基本思路［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2001，（4）：25-28.

［6］王小毛，徐麟祥，廖仁強(qiáng).三峽工程大壩設(shè)計(jì)［J］.中國工程科學(xué)，2011，（7）：70-77.

TV64

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1671-3818（2016）09-0248-02

周鶴翔（1988-），男，陜西西安人，研究方向：水工結(jié)構(gòu)。