賈 杰

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計(jì)研究院，重慶 401121)

0 引 言

近年來在我國水利工程建設(shè)施工過程中，為提高壩體工程的整體施工效果，爭取效益達(dá)到最大化，越來越多的工程項(xiàng)目將重力壩作為重要的施工方法?；炷劣捎谄涓呙芏扰c高強(qiáng)度，再加上成本低廉，所以成為最理想的建筑材料，被廣泛應(yīng)用于各大重力壩建設(shè)中，利用其自身的重力和強(qiáng)度來抵擋上游湍急的水流的壓力以及承載其他外部載荷。當(dāng)前，世界各國修建的規(guī)模比較大的水利工程，只要在寬闊型河谷上，大多采用的都是軸線為直線的碾壓式混凝土重力壩，斷面也比較簡單，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)大大加快了施工效率，縮短了施工工期[1]。此外，重力壩的作用當(dāng)然不單單用于阻擋流水，更關(guān)鍵的作用是要在特殊時(shí)期能夠有效溢流排洪，因此需要在壩體中預(yù)留泄洪孔洞，這對重力壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求相當(dāng)之高，水利壩體工程的穩(wěn)定性問題也成為目前嚴(yán)重影響壩體安全施工和運(yùn)行的關(guān)鍵問題。

1 混凝土重力壩的建設(shè)現(xiàn)狀

對現(xiàn)有混凝土重力壩進(jìn)行大量研究和分析發(fā)現(xiàn)，在對大壩進(jìn)行修建的過程中，如果提前在上游面布置專業(yè)的防滲水結(jié)構(gòu)，不用混凝土本身在額外承擔(dān)防滲透的功能，在大壩投入時(shí)候之后，混凝土大多都不會(huì)被浸濕，大大提高了大壩的使用功能性和壽命，也為水利工程自身功能的發(fā)揮提供了更強(qiáng)大的基礎(chǔ)保障。而正是基于該發(fā)現(xiàn)，在大型水利工程的構(gòu)建過程中，各國紛紛開始加強(qiáng)對混凝土重力壩的應(yīng)用，同時(shí)，也開始大力發(fā)展碾壓混凝土大壩的施工技術(shù)。而我國，近些年來大型水利工程的大壩也大多采用的是碾壓混凝土重力壩，經(jīng)過多年的發(fā)展，不僅技術(shù)越來越成熟，也為推動(dòng)我國水利工程的發(fā)展提供了強(qiáng)大推動(dòng)力。只不過，相對于國外發(fā)達(dá)國家而言，我國在混凝土重力壩的施工建設(shè)以及相關(guān)技術(shù)上依舊存在一定差距，因此，我國在不斷加強(qiáng)對自身技術(shù)進(jìn)行研究的同時(shí)，也需要加強(qiáng)對國外發(fā)達(dá)國家的成熟經(jīng)驗(yàn)以及先進(jìn)技術(shù)的參考和借鑒，總結(jié)出最適合我國施工情況的施工技術(shù)。

2 重力壩斷面設(shè)計(jì)

2.1 對斷面和作用荷載進(jìn)行精簡

在簡化過程中，主要考慮荷載自重、壩底的揚(yáng)壓力以及齊頂靜水壓力三大作用力。

通常情況下，在對斷面進(jìn)行簡化的過程中，需要重點(diǎn)考慮荷載自重、壩底的揚(yáng)壓力和齊頂靜水壓力，如圖1所示為重力壩簡化三角形斷面。

假定揚(yáng)壓力分布詳細(xì)如圖1所示：

圖1 重力壩斷面設(shè)計(jì)

通過圖中各項(xiàng)數(shù)據(jù)，可以對壩體、壩踵以及壩址的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，其公式分別如下所示：

(1)

2.2 地剖面分析

為了滿足對應(yīng)力的控制，應(yīng)滿足如下條件：

(2)

為確保公式成立，λ的取值范圍應(yīng)該為(a，b)，則可以得出如下公式：

(3)

當(dāng)B為最小值的時(shí)候，根據(jù)計(jì)算，可得到關(guān)系曲線圖(B/H與λ)，如圖2所示：

圖2 底寬B 與λ 的關(guān)系曲線

通過該關(guān)系曲線圖以及計(jì)算方式，可對重力壩面進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，比如,當(dāng)α=0時(shí)，重力壩斷面就是上游面倒懸。

2.3 滿足穩(wěn)定條件的重力壩剖面

重力壩要同時(shí)符合無拉應(yīng)力準(zhǔn)則和穩(wěn)定性要求，否則，在對其進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的過程中，就無法滿足其具體要求，影響其施工效率和最終質(zhì)量，進(jìn)而限制了整個(gè)水利工程綜合功能的發(fā)揮。文章中，穩(wěn)定控制條件為抗剪公式，可以得出滿足條件的抗滑B值公式：

(3)

在該式中，[K]為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，其與荷載工況和工程規(guī)模有關(guān)。

B/H 的取值范圍隨λ變化情況如圖3所示，剛好滿足穩(wěn)定條件，即K=[K]；曲線在上方的范圍K>[K]。

圖3 底寬B與λ的關(guān)系曲線

2.4 滿足應(yīng)力與穩(wěn)定兩大條件的合理斷面

大壩斷面設(shè)計(jì)符合以上公式的情況下，對公式進(jìn)行推導(dǎo)可得出以下公式：

(4)

在該公式中，針對不同f值，所得出的B/H-λ關(guān)系曲線，其具體如圖4所示，而滿足條件的B 值的取值范圍位于兩條曲線的上方，交點(diǎn)為λ1。

圖4 滿足強(qiáng)度條件和穩(wěn)定條件的B與λ的曲線(f1

當(dāng)λ1<λ0，交點(diǎn)位于λ0的左邊，最優(yōu)斷面在λ1=λ0處取得，帶入式中可以推導(dǎo)出：

(5)

當(dāng)b>λ1>λ0時(shí)，交點(diǎn)位于λ0的右邊，最優(yōu)斷面取于λ=λ1處。當(dāng)λ1≥b時(shí)，在[λ0,b]區(qū)間中，應(yīng)力曲線應(yīng)該自抗滑曲線的下方，而在重力壩的施工中，七、其抗滑條件會(huì)直接對壩底的具體施工寬度造成影響，另外，由于整個(gè)抗滑曲線呈下降趨勢，因此，在λ=b處，B能夠取得最小值。

(6)

f值直接關(guān)系到斷面形狀，其取值范圍0.5-0.8，對最優(yōu)斷面的影響分析如下表1所示。

在對斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該應(yīng)用無拉應(yīng)力和抗滑穩(wěn)定原則，并以表1作為主要參考數(shù)據(jù)，對基巖條件、上游壩坡等影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析，采用最優(yōu)斷面設(shè)計(jì)方案，確保施工質(zhì)量。除此之外，由于我國國土遼闊，地勢眾多，很多大型水利工程的施工條件和環(huán)境并不限相同，其可能對重力壩的施工具有一些特殊性的要求，而在其具體施工中，就需要將其考慮其中。

表1 最優(yōu)剖面與上游直立剖面比較分析

3 重力壩斷面設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)例

如圖4所示為某地混凝土重力壩非溢流斷面，高110m，計(jì)算水位高95m，泥沙高程30m，下游尾水位高程5m。

3.1 重力壩原始設(shè)計(jì)方案

壩頂高程110m，上游面折坡54.05m，下游面折坡高程100m，上游坡比1∶0.12，下游坡比1∶0.76，摩擦系數(shù)為f=0.70,f’=1.45,C’=108.4。允許穩(wěn)定安全系數(shù)[K]=1.10，[K’]=3.00，壩踵允許拉應(yīng)力≤0。

3.2 原始方案滿足約束情況

混凝土方量原始方案中共計(jì)4734.64m3。壩踵處應(yīng)力運(yùn)用材料力學(xué)相關(guān)方法計(jì)算得出最小主壓力為6.82MPa。壩址處應(yīng)力運(yùn)用材料力學(xué)相關(guān)方法計(jì)算得出最小主壓應(yīng)力為12.38MPa。穩(wěn)定約束情況為K=1.331，K’=4.904。

圖5 重力壩原始設(shè)計(jì)斷面

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案滿足約束情況

經(jīng)過材料力學(xué)法多次結(jié)構(gòu)重分析進(jìn)行直接搜索，滿足收斂準(zhǔn)則，得出最優(yōu)方案，見圖5。

圖6 優(yōu)化后的重力壩斷面設(shè)計(jì)

運(yùn)用材料力學(xué)法計(jì)算混凝土方量為3950.92m3。壩踵應(yīng)力運(yùn)用材料力學(xué)法計(jì)算得出為1.33MPa，壩址應(yīng)力為18.3MPa。穩(wěn)定約束K=1.101，K’=4.019。

3.4 優(yōu)化方案分析

重力壩斷面經(jīng)過科學(xué)的優(yōu)化分析設(shè)計(jì)后，效果十分明顯，混凝土大大節(jié)省，節(jié)省量高達(dá)20%。優(yōu)化后的斷面幾何約束中，上游坡比基本達(dá)到上限值1∶0.2，下游坡比也接近下限值1∶0.54；應(yīng)力約束還有很小余量；穩(wěn)定約束基本達(dá)到臨界。通常意義上看，重力壩的臨界約束就是穩(wěn)定約束，這時(shí)材料力學(xué)法和有限單元法的計(jì)算結(jié)果相差無幾。當(dāng)?shù)鼗闆r較為復(fù)雜時(shí)，應(yīng)力約束條件將會(huì)起著關(guān)鍵性的控制作用[2]。本實(shí)例研究僅僅列出實(shí)體重力壩優(yōu)化設(shè)計(jì)中的常見情況，但是混凝土重力壩設(shè)計(jì)的核心思想已經(jīng)融合于其中，成果十分豐富，可以廣泛推廣。

4 結(jié) 語

隨著我國對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的不斷加大，水利工程建設(shè)也逐年得到發(fā)展，混凝土重力壩作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中水利工程的重點(diǎn)建設(shè)研究項(xiàng)目，不僅關(guān)系到國家水利工程設(shè)計(jì)發(fā)展，還關(guān)系到我國大型建設(shè)項(xiàng)目的建設(shè)水平。因此，必須積極提升混凝土重力壩設(shè)計(jì)水平，嚴(yán)格控制工程施工時(shí)的安全性，使用的長久性。當(dāng)然，我國混凝土重力壩與國外發(fā)達(dá)國家相比，還存在一定差距，但是如何通過提高自身技術(shù)水平，縮短差距，都有待我們進(jìn)一步研究探討。

[1]楊晉營，高超.膠凝砂礫石壩壩坡比分析研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2017(01):83-89.

[2]王志坤，楊璐.基于附加質(zhì)量的混凝土重力壩地震仿真分析[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2016(04):98-103.