某水利施工工程及主壩設計思路之研究

□孫展杰　□孫　倩（塔里木河流域管理局）

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某水利施工工程及主壩設計思路之研究

□孫展杰□孫倩（塔里木河流域管理局）

摘要：近年來，在國家經濟快速發展的促使下，水利工程項目得到重視和發展。主壩是水利工程項目的重點，是影響水利工程項目建設效果的關鍵，在整個水利工程項目中占有重要位置。因此，主壩設計顯得尤為重要。文章將在某水利工程的基礎上，探究主壩設計思路，以供相關人士參考。

關鍵詞：水利工程；主壩；設計思路

0　前言

水利工程在國民經濟中占有地位，是推動國民經濟發展的有效動力。主壩設計直接關系著水利工程質量，是影響水利工程施工效率的關鍵所在。因此，為保證水利工程施工質量，延長水利工程使用年限，應采用科學有效的措施，優化主壩設計，促進水利工程發展。

1　水利工程概述

本水利工程項目主壩選址于呈開闊V型斜向谷的河段，相較而言，左岸較完整，右岸受沖溝切割影響。輝綠巖、硅質巖以及泥巖等是主壩水利工程建設的主要對象，具有巖性復雜等特點，呈現出軟硬不均衡狀態。同時，基巖裂隙水是地下水的主要形式，存在水力聯系差的問題，相較而言，具有水文地質條件簡單的優勢。7度是壩址區地震的基本裂度，8度為設防裂度，且抗震預防等級為甲級。

2　主壩設計思路

主壩設計在整個水利工程中占有重要位置，其蘊含的內容十分豐富，主要包含主壩布置、主壩斷面設計、主壩穩定性與應力分析、壩體分縫分析、壩體防滲止水和排水設計以及壩體混凝土分區設計等。

2.1主壩布置

主壩位于約厚127 m的輝綠巖上，呈折線狀沿輝綠巖層布設，壩頂約長720 m，包括共24個壩塊，具體壩塊分類如表1所示。

將壩頂高程設置為234 m，130 m為最大壩高。中孔和表孔是構成泄水建筑物的重要要素，布置于河床左側4A#至5#壩塊上。其中，中孔規格為寬4m、高7m，共3個，表孔規格為寬14m、高18 m，共4個。

表1　壩體分類表

2.2斷面設計

第一，斷面設計原則：碾壓混凝土與常態混凝土基本性能存在諸多共同點，同時，碾壓混凝土重力壩與常規混凝土重力壩的工作狀態基本相似，可采用相同的設計方法對其進行設計。在碾壓混凝土重力壩斷面設計過程中，應對碾壓混凝土壩材料予以重視。因為碾壓混凝土壩材料的軟弱區存在于RCC碾壓施工層面，導致壩體橫縫間距偏大。

第二，優化斷面設計：動態規劃法不僅適用于溢流壩，同樣適用于非溢流壩。在壩的斷面面積（A）最小的目標函數基礎上，將決策變量設置為上、下游面坡率，即m1，m2，m3。同時，將起坡高程H2與變坡高程H3設置為決策變量。因此，可將目標函數用如下函數表示：optAmin=f（m0，m1，m2，H2，H3），在此函數中，m0表示上游面坡率，m1，m2分別表示下游面兩個坡率，且m1＜m2。

以混凝土重力壩設計規范為基準，依據相關規程和壩址實際情況，明確應力和抗滑穩定的約束條件，找出限制壩底寬度的條件。在碾壓混凝土機械施工條件的指導下，掌握約束壩坡率的關鍵因素，從而構建目標函數的約束集，采用逆序求解方式達到求解的目的，從而獲得基本斷面，即擋水壩斷面。見圖1。

2.3主壩穩定性與應力分析

圖1　主壩施工斷面圖

一方面，計算壩身與壩基面，在抗剪斷強度公式的基礎上，準確計算壩塊的抗滑穩定性。針對計算結果，重點分析極具代表性的4B#、6A#的計算結果。具體數據如表2所示。

表2　順流向抗滑穩定安全系數值表

在應用抗剪斷公式計算相關數據前，選定相關參數，主要包括RCC結合面和壩基接觸面。針對RCC結合面而言，f=1.1，c'=0.90 MPa，針對壩基接觸面而言，4B#：f=1.1，c'=1.00 MPa，6A#：f=1.00，c'=0.80 MPa。

另一方面，材料力學法應力計算，一般而言，以偏心受壓公式為基準，實現壩的應力計算。其中，在無地震力的作用下，壩塊間運用期所產生的應力均屬于壓應力范疇。另外，不管施工是否涉及揚壓力，其應壓力應小于壩體混凝土以及地基的應壓力。在涉及地震力作用的基礎上，0.80 MPa是壩體的最大主拉應力，且明顯小于抗拉強度。在此情況下，則標志壩體抗拉效果良好，具有較高安全性。

2.4壩體分縫設計

一般而言，壩體布置、結構以及混凝土溫度等因素是判定主壩分縫的關鍵因素，共包括6塊左岸擋水壩段，其長度依次為：36、36、30、30、30、30 m，3塊溢流壩段，長度依次為33、22、33 m，4塊均長為27 m的右岸河床壩段，10塊右岸非溢流壩段，36 m為右壩頭兩塊長度，且包含1塊長為20 m的外，均屬于長30 m的斷壩，同時不設縱縫于壩體中。

若以RCC主壩溫度為參考，分析相關應力，為迫使上游壩面抗裂性能得到改善，在設置上述橫縫的前提下，將約長3 m左右的一短縫設置其中，且經應力釋放限裂結構設置于縫端。

2.5壩體防滲止水和排水設計

首先，針對壩體上游面防滲：針對上游面而言，以二級配RCC作為主要防滲材料。同時，將聚合物高分子防滲材料涂置于蓄水位228 m以下的上游壩面，以達到防滲的效果。

其次，針對壩體止水：止水不僅要設置于主壩橫縫中，而且應設置于短縫中。一般而言，若壩高＞70 m時，則需設置二銅一塑，若壩高＜70 m時，則需設置一銅一塑。需注意的是，50 cm是第一道銅片與壩面的距離，且保持止水片間距為50 cm，塑料止水主要用于最后一道。

最后，針對壩體排水：將排水孔設置于基礎排水廊道中和由155 m、200 m高程排水觀測廊道構成的立面，迫使排水幕形成于壩體內。針對155 m高程排水觀測廊道，主要采用埋管法方式設置排水孔，且排水孔規格為孔徑為15 cm，而間距為3 m。針對200 m高程排水觀測廊道，主要采用鉆孔法方式設置排水孔，且排水孔規格與155 m高程排水觀測廊道設置的排水孔規格一致。

2.6壩體混凝土分區設計

壩體混凝土分區設計由溢流壩斷斷面與擋水壩段斷面構成，在設計該部分內容時，應以壩段工作條件為基礎，合理、科學選擇混凝土。針對本工程，有四個部分組成：第一，壩體內部三級配RCC；第二，厚1.50 m左右的壩基墊層抗滲常態混凝土；第三，將空孔放置于壩面和泄洪處，采用閘墩以抗沖混凝土；第四，針對壩體上游面而言，采用二級配抗滲RCC，水頭的1/15是RCC的厚度規范，以2、3.50、4.80、8 m為基本標準，由上至下采用分階梯方式進行布置。若斷面的擋水壩壩高處于70 m之上，則需適當考慮壩體抗震，將二級配置RCC設置于壩體下游165 m至220 m高程處。

除上述要素外，在水利工程主壩設計思路中，應適當添加抗震動力設計以及地基處理問題，以確保主壩設計的完整性，為水利工程施工提供便利。

3　總結

總而言之，主壩設計是水利工程中的重要環節，是水利工程施工效率的保障，關系著整個水利工程施工質量。因此，相關單位、企業應充分認識到主壩設計在整個水利工程中的重要性，優化主壩設計思路，提高主壩設計效率，促進水利工程發展。

參考文獻

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［3］孫榮博，鞠連義，劉清利.尼爾基水利樞紐工程主壩瀝青混凝土心墻設計［A］.土石壩技術—2008年論文集［C］. 2008：7.

（責任編輯：趙鑫）

中圖分類號：TV64

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8853（2016）04-0078-02

作者簡介：孫展杰（1983-），男，工程師，主要從事水資源管理工作。

收稿日期：20416-01-18