加筋砌石拉墩壩設計探討

2012-10-18 08:22:14厲明鳳

水利技術監督 2012年6期

厲明鳳

（十堰市水土保持工作站，湖北十堰 442000）

為了探求在山區寬淺河谷建造低壩的適宜壩型，筆者在湖北省十堰市山區試驗性地設計了一座加筋砌石拉墩壩（以下簡稱拉墩壩）。該壩河床以上壩高9m，面板底厚2m，拉墩底厚1.5m，設計壩頂溢洪水深2m。壩體材料為小石子混凝土砌塊石，防滲面板為素混凝土。鋼筋層在壩體砌筑時留空填充小石子混凝土，壩體工程量約為同壩高重力壩方案的 40%。該壩運行多年來安全正常，因而斷定：在寬淺河谷上建造低壩，如采用拉墩壩的壩型，可獲得較好的技術經濟效果。現對拉墩壩設計方案的設想和實踐作理論上的探討。

1 拉墩壩的主要特點

目前山區低壩通常的型式是：圬工重力壩、底流消能，下游設護坦、海漫防沖。山區河流的特點是河床比降大，雖加長消能工而水流仍有較大勢能，護坦、海漫的沖蝕往往是不可避免的。重力壩由于其體積大而使工程造價高的弱點，也是眾所周知的。

在寬淺河谷中建造低壩，采用支墩壩、拱壩等輕型壩一般要優于重力壩。但寬高比過大就會使拱壩方案失去其經濟意義；還有壩頂溢流單寬流量的限制和水舌向心集中所帶來的下游消能問題。這些因素大大限制了拱壩的適用的范圍。支墩壩的壩頂溢流水舌，因直接沖擊支墩而形成劇烈紊流，可能導致支墩的震動和剝蝕，和對壩、墩基礎的沖刷。因此，支墩壩下游消能防沖設施的造價一般比較高。

基于上述分析，產生了拉墩壩壩型的（錨筋未標出）設計方案（見圖1）。

圖1 拉墩壩縱剖面示意圖

拉墩壩的主要特點如下。

（1）拉墩壩宜建在基巖覆蓋較淺，石質較硬，構造較完整的“U”形寬淺河谷，這種壩址在山區中、小河流上是比較容易找到的。

（2）利用錨筋把荷載傳遞到基巖，能發揮圬工砌體抗壓、鋼筋抗拉的材料力學特性。作用在壩面板上的水壓力、泥沙壓力以及其他荷載，由壩面板傳給拉墩，再由拉墩主要通過錨筋傳至基巖。錨筋使壩體與基礎聯成一體，實現壩身的抗滑、抗傾和抗剪切安全。面板和拉墩內的配筋，與基礎錨筋組成了抗拉應力的網絡，不必因壩踵拉應力偏大而加厚壩體，從而使壩身做得較輕。

（3）壩頂溢流水舌的首尾在平面上均呈直線分布，消能工結構比較簡單，跌流戽可起護坦和消能雙重作用。和支墩壩相反，拉墩壩在壩面板上游面設置拉撴，呈直線分布的溢流水舌的消能防沖問題，就比水舌呈梳齒狀分布的支墩壩要簡單得多。壩頂設挑流板，壩體下游面做成起立壁，避免溢流“貼壁”，從而消除了溢流水舌對壩體造成的震動和剝蝕，傍壩址設置跌流戽，既具有護坦的防沖作用，戽內水墊又可消殺大部分跌流余能。

2 錨筋工作狀態及拉墩壩穩定計算

置于基巖中錨筋的抗拉強度，往往能超過鋼筋的屈服強度；其抗剪強度也往往大于一般鋼筋的抗剪強度。這一點已被許多工程現場實驗所證實，由下述計算可知，錨筋對于輕型壩的穩定起著十分顯著的作用。

2.1 壩體抗傾穩定計算

拉墩由于體積小、重量輕，而壩頂溢流較深，上游水位高，水壓力和泥沙壓力所產生的水平推力較大，加上溢流高流速水舌對壩體的拖曳力和振動，解決壩體的抗傾覆問題就顯得特別重要。

通常的抗傾穩定計算公式是：

式中：Wi——抗傾覆力（t）；

Pi——傾覆力（t）；

Ei——各作用力對壩趾點的力臂（m）。

構成拉墩傾覆力矩的力有水壓力、泥沙壓力；水的滲透壓力、揚壓力以及壩頂溢流的拖曳力、脈動壓力等。一般情況下，構成抗傾覆力矩的力有壩體重量、壓在壩身上的水重、泥沙重以壩下游水壓力等。而在拉墩底部與基巖設置錨筋后，每一根錨筋的抗拔力對壩趾點的力矩中心形成一個抗傾覆力矩，這在技術經濟上是合理的。

錨筋具有相當大的抗拉拔能力。湖北省富水水庫溢洪道，基巖為水云母頁巖，含水云母礦物達60%以上，巖體嚴重風化，裂隙率達4.3%～5.7%。在底板下設置錨筋，孔深 2.5m左右，用Ф25～28mm，屈服強度 2600kg/cm2的螺紋鋼，錨孔填料為 1：1水泥砂漿，水灰比0.45～0.6。經現場作拉拔試驗：Ф25錨筋可承受拉力10t以上，最大的達14.1t，接近（個別超過）鋼筋的屈服極限強度。在巖質較好的基礎上設置錨筋，再鋪以較好的錨孔填料和正確的施工方法，可獲得更好的抗拉拔效果。陜西省馮家山水庫，在隧洞噴錨支護中，用Ф28mm，屈服極限強度4300～4500kg/cm2的圓鋼作錨筋，錨孔直徑42～45cm，錨入基巖2.3m，錨孔用1：1水泥沙漿填筑。經現場拉拔試驗：一根錨筋可承受 27.5噸的拉力，達到或超過了鋼筋的屈服極限強度。未被破壞。

富水水庫在拉拔試驗中被拉出的錨筋，既使拉應力超過了鋼筋的屈服強度，也是錨孔填料或基巖的剪切破壞，鋼筋本身均完好無損。這說明，錨筋的允許拉應力是可以超過其屈服強度的。這是由于錨筋所承受的拉力，通過錨孔填料傳遞到基巖，錨筋、填料、基巖共同承擔了全部拉力，既使拉應力超過了錨筋的屈服強度，錨筋實際上并沒有受到這樣大的拉應力。填料和基巖的抗剪強度和所承受剪應力的差距，總是小于鋼筋的抗拉強度和拉應力的差距。所以，錨筋的破壞總是從填料或基巖的剪切破壞開始。錨筋的拉伸破壞主要為三種形式。

（1）砂漿與錨筋粘著力破壞。

（2）砂漿剪切強度破壞。

（3）巖石抗剪強度破壞。

因此，錨筋抗拉強度的大小，主要取決于基巖強度、錨孔填料和填筑操作質量。而錨筋的埋置深度應以巖石的抗剪強度和填料的粘著力為函數，才是切合實際的。

有錨筋參加工作的拉撴壩抗傾穩定計算公式：

式中：Si—— 一根錨筋的抗拔力，Si=πdLτ；

d ——錨筋直徑，cm；

L ——錨入基巖的長度，cm；

τ ——砂漿與錨筋的粘著力或基巖抗剪強度（取二者中的小值，單位：kg/cm2）；

Li——錨筋與力矩中心（壩趾點）之距，cm；其他符號意義同（I）式。

2.2 壩體抗滑穩定計算

壩基抗滑穩定計算的四公式中，磨擦公式把壩底面與基巖單純地看著“接觸”，忽略了“膠結”和“咬合”作用，這顯然不合實際。摩剪公式考慮了磨擦和“膠結”，比較全面。接觸面的摩擦力，混凝土或基巖的抗剪強度，對于3級以下的建筑物，可通過室內試驗或根據材料、地質情況由資料查得或用工程類比法確定。抗剪斷公式和抗剪公式分別以膠結面的抗剪斷強度、材料抗剪強度作為判定壩體是否穩定的依據，具有一定的先進性。但膠結面的抗剪斷摩擦系數、抗剪斷凝聚力和材料的抗剪強度，須經野外試驗確定，而中、小型工程作到這一點是困難的。

四者相比較，考慮到計算方法的先進性和實用性，在目前尚無較高的拉墩壩實踐的情況下，壩體抗滑穩定計算，以摩剪公式較為經濟合理。因為，對于中、低高度的壩，摩剪公式中的“CA”項的作用是比較顯著的，通常的摩剪公式為：

式中：Ks——抗滑安全系數；

f ——壩底與基巖摩擦系數；

∑V ——作用于滑動面以上的力在垂直滑動面方向投影的代數和；

C ——滑動面的抗純剪強度（粘結強度，一般為 20～40kg/cm2）；

A ——壩底面積；

∑H ——作用于滑動面上的力在滑動面方向投影的代數和。

公式中的純抗剪強度C值，因基面坎坷不平，壩底面與基巖呈“咬合”狀態，壩體受水平推力后，一般在混凝土內部或基巖內部剪斷。因此，C值宜用混凝土或基巖的純抗剪強度（二者中之小者）。但混凝土的純抗剪強度一般只有其相應抗壓強度的1/7左右，巖石的抗剪強度一般只有其相應抗壓強度的 1/25左右，往往因不能滿足抗滑穩定要求而增厚壩體。在基巖和壩體中置入錨筋后，一方面鋼筋可承擔大部分水平推力，另一方面，在錨筋沒有被剪斷的情況下，巖體強度由于剪切面上獲得了一定量的附加法向應力而提高。這樣，用較小的壩底面積即可獲得抗滑穩定安全效果，從而使壩體做得較薄，降低工程造價。

考慮錨筋作用的摩剪公式：

式中：τ——錨筋抗剪強度，kg/cm2；

Fa——錨筋總截面積，cm2；

其他符號意義同（Ⅲ）式。

3 拉墩和面板配筋計算

面板厚度、拉墩厚度和迎水面坡度，按構造、防滲要求擬定。然后進行荷載、內力計算；配筋計算和強度核算。面板承受的外力有水壓力、泥沙壓力、自重、揚壓力以及溫度、地震荷載等。拉墩除承受與面板同名稱的外力外，主要承受面板傳來的荷載，一個拉墩承受其兩側中分的1/2塊面板的總荷載。

面板、拉墩的內力計算、配筋計算和強度核算，可分別參考混凝土和配筋磚石結構的連續板和偏心受壓柱進行。本文不予贅述。

4 溢流消能——跌流戽

中、小型砌石壩多為無閘門控制的壩頂溢流。溢洪期的首尾時段都有“貼壁流”和近挑距的水舌沖刷壩址附近。通常的作法是設護坦保護壩趾，或在下游筑二道壩壅高尾水以水墊防沖。

拉墩壩的壩頂溢流宜采用自由跌落型式，其水舌跌落區雖也隨堰頂水頭變化而不同，但變化幅度不大。在壩趾處設跌流戽，使戽頂平齊或低于下游河床，淹沒于尾水而形成水墊，以保護壩趾不受沖刷和消殺大部分余能。

因而，拉撴壩的溢流就出現兩次消能過程：第一次為跌流消能。溢流水舌自壩頂跌落時，受到空氣阻力，四面摻氣，消殺了一部分能量。據實驗：一般可平均消殺總能量的 12%，有時可達 20%。廣東省龍頸水庫，挑流水舌在空中的能量損失為18.35%～18.9%。第二次為戽面消能。水舌在空中消殺12%～20%的能量，再加上建筑物段的能量損失和尾水余能，約有60%～80%的總能量需要利用跌流戽和下游水墊消殺。

4.1 跌流戽的表面形狀

跌流戽應做成圓弧表面，使水舌下跌軌跡線與戽面呈斜交，以避免流束對戽面的正面撞擊而產生剝蝕。美國墾務局曾用高速水流作抗沖試驗，射流入水流速 58m/s，到達混凝土表面的平均流速約為23m/s。結果，垂直方向沖射35天后，在混凝土表面形成1～2cm的小坑。當入射角為5°～45°時，經長期沖射未見明顯沖蝕。

圓弧形表面加厚了水舌入水處的水墊，有助于水流在戽內形成旋滾，造成劇烈紊流，從而獲得較大的消能效果。