關于混凝土重力壩斷面設計的探討

劉鑄選

（廣西壯族自治區河池水利電力勘測設計研究院）

關于混凝土重力壩斷面設計的探討

劉鑄選

（廣西壯族自治區河池水利電力勘測設計研究院）

混凝土重力壩存在著斷面大、耗用水泥多、材料強度尚未充分利用等特點，因此應盡可能地降低揚壓力，對簡化施工、加快進度、降低造價等有重大的意義。本文章對混凝土重力壩斷面設計的探究，只作同行的參考。相信未來，混凝土重力壩的設計會有更多的創新和突破。

混凝土重力壩；斷面設計；分析

1 前言

水利工程是我國最根本的基礎設施，因此，加大對水利工程的投入十分重要。水利工程建設的重點是重力壩的設計，混凝土重力壩的設計直接影響到混凝土重力壩的施工質量和施工安全。然而，我國在混凝土重力壩的設計方面還存在許多的問題，因此，如何制定合理的消能模式以及對壩體出現的裂縫進行修復等問題還需要施工人員和技術人員進行研究探討。

2 混凝土重力壩的建設現狀

對已經建成并投入使用的混凝土重力壩進行觀察分析發現，只要大壩上游在修筑時布置了可以防止大壩滲水的裝置，則可以保證重力壩的混凝土是干燥的。因此，如果大壩配置了有效的防滲結構的壩體的混凝土，則不需要再繼續承擔大壩防滲的功能。現如今國內外新修筑的混凝土重力壩一般都采用碾壓混凝土技術來進行澆筑，碾壓混凝土技術對于氣候的適應能力比較強，適合在不同環境下使用。

3 混凝土重力壩潰壩實例簡析

3.1 奧斯汀壩

奧斯汀壩位于美國賓夕法尼亞州，屬于混凝土重力壩，壩高15m，長160m，在1911年9月30日，奧斯汀壩失事，洪水淹沒了奧斯汀的大部分地區，使78人喪生。奧斯汀壩的壩頂寬0.76m，壩底寬9.4m，上游水深為14.4m，沒有泥沙淤積的現象，下游水深為1.83m，壩踵應力嚴格遵循了當時的設計準則，但是壩體中沒有設置排水措施，在設計時也沒有對揚壓力荷載進行充分的考慮。奧斯汀壩修建在砂巖基礎之上，摩擦角為25°，無粘聚力，壩體的混凝土密度為2.4t/m3。事故發生后，對壩體進行了失穩分析（如表1），發現奧斯汀大壩的安全系數極低，最低為0.436，壩踵的拉應力為0.19MPa，因此，壩體失事的主要原因是由于大壩的壩體斷面較小和大壩是在基巖上建造，而基巖的抗剪強度較低。按照現如今我國的規范來重新對奧斯汀重力壩進行設計，則要保證將其斷面增加到26%以上，才可以滿足無拉應力準則和抗滑穩定要求。

表1 奧斯汀大壩應力和穩定計算結果

3.2 圣弗朗西斯壩

圣弗朗西斯壩位于美國加利福尼亞，1926年竣工，圣弗朗西斯壩屬于混凝土拱形重力壩，壩體高59m，長185m，主要用來為洛杉磯供水。1928年圣弗朗西斯壩失事，水從水庫中猛然奔向下游，帶來了極大的災難。事故發生的主要原因是大壩基礎不穩，設計和施工過程中也存在缺陷和問題，不符合規范的要求，比如在建造過程中沒有進行基礎灌漿、沒有檢查廊道、壩基排水不完善、沒有設收縮縫、在設計時也沒有考慮壩底的揚壓力。

4 重力壩斷面的設計

4.1 設計原則

按照混凝土重力壩的設計規范要求，重力壩的基本斷面要滿足以下三個原則：①在進行壩體的抗滑設計時要根據規定的安全系數進行設計調整；②壩體的應力設計也要滿足規范的要求；③在規定的設計參數和施工條件下，大壩的基本斷面的面積要盡可能的最小化。安全系數可以采用剛體極限平衡法來進行計算，壩體應力則采用材料力學方法計算，斷面面積最小化則要在交互式的設計過程中才可以真正實現。

4.2 主要設計計算

（1）壩頂高程計算

在工程上游水位規定了之后，為了有效的防止波浪漫過壩體，要根據工況的上游水位和超高之和的最大值來確定壩頂的高度，壩體的高度則根據壩頂高度和最低點高度的差來確定：

Δh=hI+hz+hc

式中，hI為波浪高度，hI=0.00166Vo5/41D1/3；Vo為風速，取1.5～2.0倍的年平均最大風速；D為吹程；hz為波浪中心線至靜水位的高度

（2）壩頂寬度、壩常用斷面、上下游折坡坡度以及防滲排水設置的選擇常用的斷面有上游壩面鉛直、上游壩面上部鉛直下部傾斜、上游壩面略向上游傾斜三種；其中上游壩面上部鉛直下部傾斜比較常見，這種方式不僅便于布置進口的設備來進行控制，也有利于利用一部分水重來幫助壩體保持穩定。

在進行壩體寬度的選擇時，可以考慮實際的使用和設備安裝的要求，上游折坡的坡度一般為0～0.2，下游折坡的坡度一半為0.6～0.8。

防滲漏的排水設置會對滲透水揚壓力產生影響，而滲透水揚壓力則又直接影響了壩體的穩定，我國的《水工建筑物荷載設計規范》中規定，防滲排水設置要按照全部的作用面積來進行計算，大小分為三種情況來進行考慮：①壩基設有防滲帷幕和排水孔；②壩基設有防滲帷幕、上游主排水孔以及下游副排水孔，還另外設置了抽排系統；③壩基沒有設置防滲帷幕和排水孔。

（3）荷載和壩踵的作用力臂的計算

荷載要按照壩體的自重、上下游的靜水壓力、揚壓力、泥沙壓力、浪壓力、地震荷載來計算，一般不再額外考慮冰壓力以及溫度這兩個因素，揚壓力的計算如下：

①壩基設置了排水孔和防滲帷幕：

②壩基設置了上下游排水孔，還另外設置了抽排水系統：

③壩基沒有設置排水孔和防滲帷幕：

式中，γ水為水的容重；H1是上游水深，H2是下游水深；α是排水孔，α1是主排水孔滲透壓力強度系數，α2是副排水孔滲透壓力強度系數，分別取0.3、0.2和0.5；B為壩基寬度，L1是排水孔的水平距離，L2是主排水孔距壩踵的水平距離，L3是副排水孔距壩踵的水平距離。

（4）安全系數

壩體沿壩基面的抗滑穩定系數計算公式：

式中，f是壩基面的摩擦系數，ΣW是壩基面所受的總鉛直壓力；ΣP是壩基面所受的總水平推力。

上式主要用于判斷設計斷面的穩定程度，其計算結果應要大于或者等于設計規范要求的安全系數。如果出現小于給定安全系數的情況，則要對斷面參數進行調整。

（5）應力分析

重力壩的上下游壩面對的應力主要包括水平截面上的正壓力，水平截面一般取壩基面、水平正應力、剪應力和主應力。根據設計的規范要求，斷面的壩踵不可以出現鉛直拉應力。上、下游邊緣鉛直應力（以壓應力為正）計算式如下：

4.3 壩基的固結灌漿

根據壩基工程的地質條件和壩高以及灌漿試驗資料等情況進行分析，可以得到壩基固結灌漿的具體范圍。固結灌漿排距和孔距大約為3～4m，深度大約為5～8m，一般按照梅花型來進行布置。另外，主要裂隙的情況和施工現場的實際情況決定了灌漿孔的方向，除此之外，灌漿的壓力在保證不對基礎巖體和蓋重混凝土進行挪動的情況之下盡可能的進行提高。

4.4 重力壩壩頂的設計

重力壩中非溢流段的壩頂的寬度一般要小于3m，而溢流段的壩頂則需要根據閘門和檢修時的各項要求來對壩頂的交通橋以及工作橋進行設置，如果是交通道路和工作道路所使用的壩頂，則要額外設置人行道，一般情況下，人行道要高出壩頂和路面約30cm，并在下游面設置高度為1.2m的鋼管欄桿，還要在壩體的橫縫處安裝伸縮節。上游面則要設置高度也為1.2m的鋼筋混凝土結構來防止波浪的侵襲，防浪墻的底部要固定在壩頂之上并在壩體的橫縫處設置伸縮縫。

5 斷面設計軟件系統的開發

系統設計流程：

根據斷面設計的方法，結合VB6.0的編程要求和實現方式，確定采用圖1的流程設計思路。

圖1 斷面設計系統設計流程圖

6 總結

綜合上述，能夠流暢地完成混凝土實體重力壩斷面設計，其設計結果和設計過程能夠做到清晰、便捷，并經過實際工程的應用，得出了合理的斷面設計結果，說明本軟件系統能夠將斷面的形狀和具體尺寸確定，得到滿意的效果。

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TV642.3

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1004-7344（2016）26-0164-02

2016-8-25

劉鑄選（1989-），男，助理工程師，本科，主要從事水利水電工程設計工作。