某水利工程大壩結構設計及運行監測研究

摘 要：本文基于筆者多年從事水利工程設計的相關工作經驗，以水利樞紐工程大壩結構設計為研究對象，論文首先分析了設計的需求，進而詳細探討了結構設計，最后給出了運行監測結果，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞：水利 樞紐 工程 混凝土面板 堆石壩 設計

中圖分類號：TV6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0070-02

混凝土面板堆石壩對地形和地質條件都有較強的適應能力，并且施工方便、投資省、工期短、運行安全、抗震性好，因而其作為壩型選擇具有很大的優勢，面板堆石壩的發展也隨之取得了很大的成功。據統計，截至2006年，全世界建成在建及設計中，壩高超過50 m的面板堆石壩共計約390座。自1985年開始，中國利用現代技術修建混凝土面板堆石壩雖只有20多年，但數量、規模和技術等方面均處于世界前列，總數已超過40%。這些壩為面板堆石壩在抗凍、抗裂等方面的技術，為面板堆石壩的發展提供了非常寶貴的經驗。

1 工程簡介

某水利樞紐工程位于江西某干流上，壩址以上流域面積2970 km2，多年平均年徑流量12.08 億m3，總庫容為2.105 億m3，電站裝機為60 MW，工程等別為Ⅱ等。

樞紐工程由混凝土面板堆石壩、泄洪洞、溢洪道、發電引水系統及電站廠房等建筑物組成。大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂長270 m，壩頂高程547.40 m，防浪墻頂高程548.40 m，壩頂寬6 m，最大壩高56.60 m，上游壩坡1∶1.4，下游壩坡1∶1.3。混凝土面板厚度0.3～0.5 m，址板厚0.8 m。

壩體分為墊層區、過渡層區、主堆石區、次堆石區，在周邊縫下游部位設有特殊的墊層小區，如圖1所示。

該壩址日內溫差大，孔隙水結冰充分，凍融循環次數多，面板不僅要有足夠的強度和防滲性、耐久性、抗凍性等，柔性及嵌縫材料、橡膠止水帶等也必須有較高的特殊要求，因此面板、趾板等關鍵部位的材料選擇、結構設計與施工是本工程的重要環節。

2 壩體設計選料要求

2.1 面板混凝土原材料及性能指標

由于面板混凝土的耐久性直接決定面板的壽命，而耐久性又受日曬、風吹、雨淋、沖刷抗凍融及碳化、疲勞、溶蝕、各種有害離子的化學反應、鋼筋銹蝕膨脹等各種內、外因素影響，不象混凝土和易性、抗裂性，能在短期內能反映出來，因此合理選擇混凝土原材料，是保證其耐久性正常發揮、增加面板壽命的主要措施。

由表1知，該工程混凝土材料參數選擇均比較嚴格。在增加混凝土強度的同時，提高其抗滲抗凍標號，保證其具有一定的含氣量，以滿足抗凍要求。

與同期一般工程相比，該工程通過試驗，對混凝土水泥材料強度、水灰比等原材料指標進行了選擇與調整，結果如表1所示。

利用上述材料的用量及指標控制，保證了施工后的面板混凝土性能指標均達到二級配R250S8D250的要求，這一要求與其后頒布的新規范C25W8F300要求基本相同。

2.2 止水系統材料

面板接縫主要分為周邊縫、伸縮縫兩類。周邊縫是趾板和面板間接縫。伸縮縫可分為防浪墻和面板間接縫，面板之間接縫（分受拉縫和受壓縫），趾板之間接縫和防浪墻之間接縫。該工程壩址區，多年平均氣溫2.2℃，最低氣溫-42.6 ℃，最高氣溫34.4℃，溫度變幅大，因此工程設計中對柔性嵌縫材料、橡膠止水帶等提出了較高要求，如要求柔性嵌縫材料高溫60 ℃時不流淌，低溫-45 ℃時不脆裂，變形率大于40%，耐久性好，滲透系數小于i×10-8 cm/s等。本工程止水系統材料性能見表2。

3 結構設計

3.1 壩體分區及壩料設計

根據該工程各種筑壩材料的性質和面板壩的工作條件，混凝土面板以下壩體分為墊層區、過渡層區、主堆石區、次堆石區，在周邊縫下游部位設有特殊的墊層小區。

墊層區主要為混凝土面板提供一個均勻、穩定的低壓縮性基礎，同時滿足滲透穩定準則及嚴寒地區墊層料透水準則。設計要求選用質地新鮮，堅硬且具有較好耐久性的石料經過加工而成，最大粒徑不超過8 cm，小于0.5 cm的含量為25%～40%，小于0.01 cm的含量不大于5%，連續級配料，Cu>20，滲透系數K=i×10-3 cm/s。施工中將墊層料與過渡層料鋪筑和碾壓結合，倆區壩料同步填筑碾壓。既達到了面板有均勻、穩定的支撐，又達到了節約用料降低造價的目的。

主堆石區為壩的主體，其石料的質量、密度、沉降量的大小直接關系到面板大壩的安危，設計要求該料石質堅硬、級配良好，最大粒徑不超過60 cm，小于0.5 cm的含量不超過20%，小于0.01 cm的含量不大于5%，連續級配料，Cu>15，次堆石區主要用于保護主堆石體及其自身邊坡的穩定。主堆石與下游堆石間的大量不均勻變形將使面板受彎而形成較大拉應力，成為引起面板裂縫的重要因素之一，因此本工程將主堆石與下游堆石區的界限設置成自壩

軸線附近向下游傾斜坡度設計為1∶0.5，并將主堆石及下游堆石采用同一料源和同一巖性的材料，使上下游堆石體的模量差盡量減小。

該工程采取了改善堆石壩結構，使上下游堆石體的模量差盡量減小，加強壩體堆石碾壓，選擇有利施工時段，盡量避開冬季施工。墊層區滿足滲透穩定準則及嚴寒地區墊層料透水準則等措施，保證了壩體填筑質量及結構運行的要求。

3.2 混凝土面板、趾板及止水設計

大多數觀測資料表明，在水荷載作用下，面板的大部分區域受壓，僅在壩頂和近岸邊處有拉應變。面板應變和堆石體變形特性密切相關，與其厚度關系不大。該工程的混凝土面板厚度采用連續變截面形式，最大厚度為0.5 m，最小厚度為0.3 m。面板間伸縮縫只設縱縫，不設永久水平縫，面板垂直縫間距河谷中部為12 m，兩岸垂直縫間距為6 m，面板最大板塊斜長91.05 m。在面板中部設單層雙向鋼筋，適當增加面板鋼筋含量（每向配筋率0.4%）。并選擇面板混凝土的有利澆筑時機，避免混凝土早凍。

趾板是以灌漿帷幕為主的地下防滲體系與地上防滲結構的連接部位，是一個承上啟下的防滲結構。采用平趾板型式布置，板厚0.8 m。趾板線由面板底面與趾板下游面的交線控制。本工程趾板寬度依據基巖風化、破碎情況，允許滲透比降和基礎處理措施綜合確定，趾板最大寬度6.0 m，最小寬度4.0 m，趾板每12 m設一道伸縮縫。為保證趾板與基巖的可靠連接，通過錨桿錨固試驗，并參照已建工程經驗，在趾板內設置φ28錨筋，插入巖石深度3.5 m，每1.2 m2布置一根。

周邊縫要承擔較大的三向變位和水壓力，易于因止水失效而形成滲漏。堆石體的沉降引起面板的變形，面板與趾板位移最大，是薄弱部位。周邊縫采用柔性連接，在周邊縫處設置三道止水，表面為柔性填料止水，中部為橡膠止水，底部為紫銅片止水。在接縫上還設置了連續橡膠管，以期在接縫產生較大張開變形時，橡膠管被壓入接縫內，柔性材料也隨即被壓入而達到密封的目的。

河谷中部面板之間接縫在底部設一道紫銅止水，趾板之間接縫設一道橡膠止水，岸坡附近面板接縫、防浪墻和面板間接縫、防浪墻之間接縫設置表面柔性填料止水和底部紫銅止水。

冰的擠壓和凍脹對面板板間縫止水和混凝土表面都會產生破壞，如果大壩面板表面止水的膨脹螺栓都裸露在外，水庫經過一個冬季的運行，膨脹螺栓會被拔起，止水也會受到不同程度的破壞。針對該破壞問題，該工程研究改進了表面止水與面板的聯結方式，面板表面止水采用平滑表面。既避免了膨脹螺栓為冰蓋拔出破壞，也避免了止水被冰塊破壞。

4 主要運行監測結果

4.1 壩體沉降

大壩的沉降監測分兩個高程、五個測點進行。監測發現：大壩的沉降量隨大壩填筑高度增加而增大，符合一般規律。當大壩填筑到頂后，各測點沉降量增加很少，蓄水后各測點沉降量也沒有明顯增加，即大壩后期沉降不會很大。竣工期最大沉降點在壩軸線處，最大沉降值為20.2 cm，占壩高（56.6 m）的0.38%，蓄水期最大沉降值為25.2 cm，占壩高（56.6 m）的0.47%，在國內同類工程中屬偏小。

4.2 壩體水平位移

通過各高程處引張線水平位移計對壩體水平位移進行監測，監測發現：測點水平位移變化有規律，施工期的位移量總體上向上游移動，蓄水后位移方向指向下游，且水平位移均不大，多年后總體趨于穩定。

4.3 面板周邊縫位移及滲流監測

利用7個測點對周邊縫的沉降、剪切及開合度過程線進行測量，測量發現本工程混凝土面板周邊縫的變形較小，即周邊縫止水破壞的可能性較小。

滲漏監測發現，滲漏量為13.9×10-3 m3/s，年滲水量為44萬m3，小于設計滲漏量。

5 結語

經過大量的試驗研究及參考已有工程經驗，該混凝土面板堆石壩在遵循傳統理念進行設計同時，也結合氣候特點采取了一些相應的改進措施，保證了大壩能較好的適應極端氣候運行的要求。水庫蓄水后經歷了幾個嚴冬，通過大壩的沉降、位移、滲流量等參數監測分析發現，大壩的總體運行狀況良好。

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