水工建筑的設計交流及施工技術探析

郭韻慧

(河海大學水電工程學院，南京210000)

1 工程概況

某高山峽谷地區規劃的水利樞紐，擬定壩型為混凝土重力壩，其任務以防洪為主、兼顧灌溉、發電，為3級建筑物。

2 水文地質

上游設計洪水位為355.0 m，相應的下游水位為331.0 m;上游校核洪水位356.3 m，相應的下游水位為332.0 m;正常高水位354.0 m;死水位339.5 m。河床高程328.0 m，約有1～2 m覆蓋層，清基后新鮮巖石表面最低高程為326.0 m。巖基為石炭巖，節理裂隙少，地質構造良好。抗剪斷強度取其分布的0.2分位值為標準值，則摩擦系數f'ck=0.82，凝聚力c'ck=0.6MPa。河流泥沙計算年限采用50 a，據此求得壩前淤沙高程337.1 m。泥沙浮重度為6.5 kN/m3，內摩擦角φ=18°。樞紐所在地區洪水期的多年平均最大風速為15 m/s，水庫最大風區長度由庫區地形圖上量得 D =0.9 km。壩體混凝土重度γc=24 kN/m3，地震設計烈度為6度。擬采用混凝土強度等級C10，90 d齡期，80%保證率，fckd強度標準值為10 MPa，壩基巖石允許壓應力設計值為4 000 kPa。

3 設計要求

擬定壩體剖面尺寸，確定壩頂高程和壩頂寬度，擬定折坡點的高程、上下游坡度，壩底防滲排水幕位置等相關尺寸。對于荷載計算及作用組合此工程只計算一種作用組合，選設計洪水位情況計算，取常用的五種荷載:自重、靜水壓力、揚壓力、淤沙壓力、浪壓力，計算其作用標準值和設計值。抗滑穩定驗算可用極限狀態設計法進行可靠度計算。

4 設計工作

4.1 非溢流壩剖面的設計

確定剖面尺寸的過程歸納為:初擬尺寸—穩定和應力校核—修改尺寸—穩定和應力校核，經過幾次反復，得到滿意的結果為止。本工程只要求計算一個過程。

4.1.1 初步分析

該水利樞紐位于高山峽谷地區，波浪要素的計算可選用官廳公式。因地震設計烈度為6度，故不計地震影響。大壩以防洪為主，3級建筑物，對應可靠度設計中的結構安全級別為Ⅱ級，相應結構重要性系數γ0=1.0。壩體上的荷載分兩種組合，基本組合(設計洪水位)取持久狀況對應的設計狀況系數ψ=1.0，結構系數γd=1.2;偶然組合(校核洪水位)取偶然狀況對應的設計狀況系數ψ=0.85，結構系數γd=1.2。壩趾抗壓強度極限狀態的設計狀況系數同前，結構系數γd=1.3。可靠度設計要求均采用作用(荷載)設計值和材料強度設計值。作用(荷載)標準值乘以作用(荷載)分項系數后的值為作用(荷載)設計值;材料強度標準值除以材料性能分項系數后的值為材料強度設計值。本設計有關(荷載)作用的分項系數分別是:自重為1.0;靜水壓力為1.0;滲透壓力為1.2;浮托力為1.0;淤沙壓力為1.2;浪壓力為1.2。混凝土材料的強度分項系數為1.35;因大壩混凝土用90 d齡期，大壩混凝土抗壓強度材料分項系數取2.0;熱扎Ⅰ級鋼筋強度分項系數為1.15;Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級為1.10。材料性能分項系數中，對于混凝土與巖基間抗剪強度摩擦系數f'ck為1.3，凝聚力c'ck為3.0。上游壩踵不出現拉應力極限狀態的結構功能極限值為0。下游壩基不能被壓壞而允許的抗壓強度功能極限值為4 000 kPa。實體重力壩滲透壓力強度系數α為0.25。

4.1.2 非溢流壩剖面尺寸擬定

確定壩頂高程，壩頂在水庫靜水位以上的超高△h=hl+hz+hc，對于安全級別為Ⅱ級的壩，查得安全超高設計洪水位時為0.5 m，校核洪水位時為0.4 m。分設計洪水位和校核洪水位兩種情況計算。D風區長度(有效吹程)為0.9 kM，v0計算風速在設計洪水情況下取多年平均年最大風速的2倍為30 m/s。

波高:

波浪中心線至計算水位的高度:

4.1.3 荷載計算及組合

以設計洪水位情況為例進行穩定和應力的極限狀態驗算(其它情況略)。根據作用(荷載)組合，設計洪水情況的荷載組合包含:自重+靜水壓力+淤沙壓力+揚壓力+浪壓力。沿壩軸線取單位長度1 m計算。將壩體剖面分成兩個三角形和一個長方形計算其標準值，廊道的影響暫時不計入。按設計洪水時的上下游水平水壓力和斜面上的垂直水壓力分別計算其標準值。揚壓力強度在壩踵處為γH1，排水孔中心線上為γ(H2+αH)，壩趾處為γH2。α為0.25，分別計算其揚壓力標準值分水平方向和垂直方向計算。泥沙浮重度為6.5 kN/m3，內摩擦角φs=18°。水平淤沙壓力標準值為Psksbhs2tg。壩前水深波長(H ＞L/2)采取PwkwLm(hl+hz)公式來計算浪壓力標準值。

4.1.4 抗滑穩定極限狀態計算

壩體抗滑穩定極限狀態，屬承載能力極限狀態，核算時，其作用和材料性能均應以設計值代入。基本組合時:

4.1.5 壩址抗壓強度極限狀態計算

壩趾抗壓強度極限狀態，屬承載能力極限狀態，核算時，其作用和材料性能均以設計值代入。基本組合時(1+0.752)=(271.33+163.00)1.5625=678.64kPa;壩趾巖基為3076.92kPa，由于 678.64kPa ＜ 3076.92kPa，故基本組合時壩址基巖抗壓強度極限狀態滿足要求。壩趾混凝土C10的計算為:3846.15kPa，由 于 678.64kPa ＜3846.15kPa，故基本組合時壩趾混凝土C10抗壓強度極限狀態滿足要求。

5 水工建筑物施工措施

5.1 施工準備

開工前，應做好各項枝術準備、各種器材和施工機械設備的準備工作。對料場進行現場核查，普查土料天然食水量和適用性，采集土樣，做顆粒組成，黏性土的液塑限和擊實，砂性土的相時密度等試驗。

5.2 測量放樣

進行平面、高程及斷面測量控制。在熟采現場及圖紙資料基礎上，勘察現場、布置平面控制和高程控制網，繪制測量放樣圖、搞河道開挖和堤防堤筑位置，標準在網絡坐標中，網絡控制點布置在不易破壞的處所，并設置醒目標志。每個測站及時計算高程誤差及前后視距，當計算滿足要求時，方可進入下一站測量工作。對地形復雜和變化較大處，需進行少測或補測斷面，參與二方平衡。測量時，可將高程由高程樁引在斷面樁用全站儀測量斷面圖。

5.3 堤清理和河道清表、清淤

堤基表面不合格土、雜物等必須清除，堤基范圍內的坑、槽、溝等應按堤身填筑要求進行回填處理。采用挖掘機配合鏟運機進行，清除所有直徑在30 cm以上的樹根，直徑以下樹根每平方米不超過3個。在河床清淤合格后方可進行河道開挖作業。

5.4 施工開挖

土石方開挖應自上而下分層進行，結合施工總布置和施工總進度作好整個工程的土石方平衡，并與水土保持措施相結合。在滿足施工總進度及環境保護要求前提下，開挖石渣宜利用;在鄰近建基面的常規開挖梯段爆破孔的底部及建基面之間預留保護層、地基保護層以上石方開挖。

5.5 土石壩施工

施工上壩道路布置應遵守一定原則:限制坡長條件，道路最大縱坡不大于15%。土石料用自卸汽車運輸上壩時，宜采用進占法卸料，壓實設備類型可根據土石料性質等因素選擇，鋪料厚度應根據土石料性質和壓實設備性能通過現場試驗或工程類比法確定。混凝土面板堆石壩上游壩坡壓實平整后的邊坡可用瀝青乳膠或碾壓砂漿等措施固定。瀝青混凝土面板宜一期鋪筑，當壩坡長＞120 m或因度汛需要，也可分兩期鋪筑，但兩期間的水平縫應加熱處理。縱向鋪筑寬度可3～4 m。碾壓式瀝青混凝土心墻的鋪筑層厚宜通過碾壓試驗確定，可采用20～30 m。鋪筑與兩側過渡層填筑宜平起平壓。

6 結語

水利工程建筑應該從單一的水利功能向全面功能發展，提高設計標準，同時還應考慮到水工建筑物的外觀設計，從而促進水利工程使用功能和美化環境并舉。

［1］黃炎紅.水工建筑物設計問題探討［J］.科技創新與應用，2012(6):17-18.

［2］馬永紅，趙宇.梨樹灌區渠首閘門系數率定分析及重要性［J］.農業與技術，2012(1):4.