某水電站攔河大壩結構優化設計分析

陳森波

(東方名源龍盛建設有限公司，浙江 嵊州 312400)

文章編號：1007-7596(2015)12-0057-03

某水電站攔河大壩結構優化設計分析

陳森波

(東方名源龍盛建設有限公司，浙江 嵊州 312400)

攔河大壩是水電站的核心工程，其壩型、防滲墻、護坡等結構直接關系到整個工程的各項指標性能、投資成本等重要問題，設計和施工要遵循"因地制宜和經濟合理"的原則。文章以某水電站為實例，分析了其攔河大壩的形式、基層厚度、心墻、防浪墻等結構的方案選擇和優化設計，充分適應了當地的水文地質條件，做到了經濟合理和因地制宜，以期為今后類似的水利工程設計提供可參考經驗。

水電站；大壩結構；優化設計；原則；分析

1 工程概況

某水電站是一座以發電為主、兼顧防洪及其他效益的綜合水利水電樞紐。水庫總庫容4001 萬 m3，正常庫容為465.5 萬 m3。電站設計總裝機容量為9600 kW，平均發電量2136萬kW·h，屬于徑流式小型水電站。本工程樞紐主要由攔河壩、翻板閘、沖沙閘、電站廠房及升壓站等建筑物組成，其中攔河壩設計全長326.6m。

2 水電站工程大壩結構優化設計分析

2.1 壩型的選擇

目前，壩體的主要形式分為重力壩、土石壩和拱壩。由于拱壩是建筑在峽谷中的攔水壩，不適合本工程的地質特征，所以在此不予考慮。重力壩和土石壩的比較情況詳見表1。通過對比和結合工程地質，技術人員最終將土石壩作為該水電站工程的壩體形式[1]。

表1 重力壩和土石壩優缺點對比分析

2.2 鋪土層的優化設計

在世界眾多的潰壩事故中，由于壩體產生不均勻沉陷造成滲流集中的原因占到80%以上，所以在壩體設計時對這個問題進行了很多的防范措施，其中包括對鋪土層的優化設計[2]。

鋪土層應具有良好的級配，本工程鋪土層要求土料的最大粒徑為80～100 mm，而<5 mm的顆粒含量要控制在30%～50%，<0.075 mm的顆粒含量應<8%，且利用壓路機對鋪土層進行充分壓實[3]。

2.3 防滲墻的優化設計

土石壩防滲墻承擔著壩體防滲的重要任務，是壩體結構的重要組成部分。目前從材質上劃分，防滲墻主要有土質墻和非土質墻2大類；從形式上劃分，分為心墻壩和斜墻壩兩類，見圖1所示。

2.3.1 防滲墻材質的選擇

土質防滲墻的原料為粘性土，壩殼一般為透水性較好的砂或砂礫石。其具有原料來源廣、造價低、施工速度快等優點，缺點是防滲效果不如非土質墻；非土質墻有瀝青混凝土和鋼筋混凝土(其中后者目前較少使用)兩大類。瀝青混凝土具有很好的柔性和塑性，滲透系數小，產生裂縫時有一定的自愈能力，是一種理想的防滲材料，但對施工技術要求較高，成本投資也較大。

2.3.2 心墻和斜墻的選擇

心墻坡度大，接近于直角，工程量小，心墻占總方量比重不大，施工時受外界環境影響較小。但要求心墻和壩殼同時填筑，各個施工隊之間的干擾較大，而且一旦完工后難以修補；斜墻一般靠近壩體上游面，與壩殼之間的施工影響較小，有利于調配勞動力和縮短工期。但總工程量較大，抗震性和不均勻沉降的適應性不如心墻，且造價較高。

通過綜合比較，最終選擇瀝青混凝土心墻作為水電站大壩的防滲墻。具體參數如下：設計瀝青混凝土心墻底部厚度為壩高的1/50，為0.6m；頂部厚度為0.4m。在心墻的兩側設置一層過渡層。其中對瀝青和骨料的各項指標要求分別如表2～3所示[4]。

表2 對瀝青的各項指標要求

2.4 護坡的優化設計

大壩護坡作為第一道保護屏障，對減少波浪沖刷、凍脹、鼠蛇造洞等災害對壩體的破壞有很大的作用。所以設計合理的護坡也是大壩建設的重要內容。但上游護坡和下游護坡由于功能不同，所以結構也有所差別。

表3 對骨料的各項指標要求

2.4.1 上游護坡的優化設計

水電站大壩上游壩坡分兩級，坡度自上而下分別為1∶2.5和1∶2.75。上游壩要求有足夠的抗沖擊能力，在土石壩中常用的形式有干砌石護坡、漿砌石護坡和混凝土護坡。通過綜合比較投資和施工速度等因素，最終選擇混凝土護坡作為本工程上游護坡的形式。護坡厚度直接決定了工期和投資成本，本工程混凝土護坡的合理厚度[5]計算公式為：

(1)

式中：η為系數，取值1；ρc為混凝土板密度，取值2.4t/m3；ρw為水的密度；Lm為平均波長；hp為累計頻率為1%的波高；m為上游壩體坡度。

經計算得：該水電站壩體上游護坡混凝土澆筑厚度為0.09 m，最終設計值為0.1 m。

2.4.2 下游護坡的優化設計

由于下游護坡使用環境較好，所以在設計時可適當考慮美觀、生態等因素，常用的護坡形式有草皮護坡、碎石護坡、混凝土框格護坡等。其中混凝土框格護坡具有抗沖刷能力強、外型美觀、兼顧生態等優點，所以該水電站壩體下游采用這種護坡形式。石橋水電站壩體下游護地圖見圖2。

圖2 石橋水電站壩體下游護坡實景圖

框格利用模版進行澆筑，而之后對土壤層進行鋪設和整理。本工程要求壤土層厚度在30 cm以上，質地疏松、透氣、排水性好，pH值范圍在6～7之間，同時在其中加入適量的有機肥和腐質土。草皮品種要求生長快、耐旱、耐酸堿等，本項目選擇野牛草和黑麥草作為種植草皮[6]。

3 結 語

攔河大壩是水電站的核心工程，其壩型、防滲墻、護坡等結構直接關系到整個工程的各項指標性能、投資成本等重要問題，設計和施工要遵循“因地制宜和經濟合理”的原則。本文通過介紹分析某水電站大壩的優化設計問題，提出了一些因地制宜和經濟合理的設計方案，為水電站的良好運行打下了較為堅實的基礎，也為以后類似的水利工程設計提供了一些可參考經驗。

[1]陳標唐，楊一峰.三峽大壩二期工程結構設計與優化[J].水利力發電，2003(12)：35-36.

[2]黃潔，王洪軍.光照水電站大壩底孔優化設計[J].貴州水力發電，2009(03)：15-16.

[3]薛興祖，程玉輝.老龍口水利樞紐工程大壩優化設計[J].水利規劃與設計，2008(06)：37-38.

[4]楊平榮，譚劍波.水庫混凝土面板堆石壩優化設計研究[J].浙江水利水電學院學報，2014(04)：46-47.

[5]黃紅女，周瓊，華錫生.大壩安全監控理論與技術研究現狀綜述[J].大壩與安全，2005(02)：54-57.

[6]李梅華.皮溝水庫除險加固工程大壩結構穩定分析[J].小水電，2011(01)：78-80.

Structural Optimization Design and Analysis of River Closure in a Hydropower Station

CHEN Sen-bo

(Eastern Mingyuan Longsheng Construction Co,.Ltd.Chengzhou 312400，China)

River dam is the key project of hydropower station，the structures of dam type，diaphragm wall and slope protection relates directly to each index performance of the whole project，investment cost and other important issues，and the design and construction should follow the principle of "local conditions and economic rationality".This paper takes a hydropower station as an example，by analyzing the scheme choice and optimal design of dam type，base thickness，core and wave wall，fully suits to local hydrogeologic conditions and "local conditions and economic rationality" with a view to provide reference experience for the future design of similar water conservancy projects.

hydropower station；dam structure；optimal design；principle；analysis

2015-07-28

陳森波(1980-)，男，浙江嵊州人，工程師，從事水利水電施工管理工作。

TV314

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