水利工程大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行監(jiān)測(cè)研究

王宇軒

摘 要：本文基于筆者多年從事水利工程設(shè)計(jì)的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以水利樞紐工程大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，論文首先分析了設(shè)計(jì)的需求，進(jìn)而詳細(xì)探討了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后給出了運(yùn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：水利 樞紐 工程 混凝土面板 堆石壩 設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV698 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）10（c）-0000-00

引言

混凝土面板堆石壩對(duì)地形和地質(zhì)條件都有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，并且施工方便、投資省、工期短、運(yùn)行安全、抗震性好，因而其作為壩型選擇具有很大的優(yōu)勢(shì)，面板堆石壩的發(fā)展也隨之取得了很大的成功。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2006年，全世界建成在建及設(shè)計(jì)中，壩高超過(guò)50m的面板堆石壩共計(jì)約390座。自1985年開(kāi)始，中國(guó)利用現(xiàn)代技術(shù)修建混凝土面板堆石壩雖只有20多年，但數(shù)量、規(guī)模和技術(shù)等方面均處于世界前列，總數(shù)已超過(guò)40%。這些壩為面板堆石壩在抗凍、抗裂等方面的技術(shù)，為面板堆石壩的發(fā)展提供了非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程簡(jiǎn)介

某水利樞紐工程位于吉林某干流上，壩址以上流域面積2970km2，多年平均年徑流量12.08億m3，總庫(kù)容為2.105億m3，電站裝機(jī)為60MW，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(fā)電引水系統(tǒng)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(zhǎng)270m，壩頂高程547.40m，防浪墻頂高程548.40m，壩頂寬6m，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(qū)、過(guò)渡層區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)，在周邊縫下游部位設(shè)有特殊的墊層小區(qū)，如圖1所示。

該壩址日內(nèi)溫差大，孔隙水結(jié)冰充分，凍融循環(huán)次數(shù)多，面板不僅要有足夠的強(qiáng)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(guān)鍵部位的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工是本工程的重要環(huán)節(jié)。

2 壩體設(shè)計(jì)選料要求

2.1 面板混凝土原材料及性能指標(biāo)

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(fēng)吹、雨淋、沖刷抗凍融及碳化、疲勞、溶蝕、各種有害離子的化學(xué)反應(yīng)、鋼筋銹蝕膨脹等各種內(nèi)、外因素影響，不象混凝土和易性、抗裂性，能在短期內(nèi)能反映出來(lái)，因此合理選擇混凝土原材料，是保證其耐久性正常發(fā)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(shù)選擇均比較嚴(yán)格。在增加混凝土強(qiáng)度的同時(shí)，提高其抗?jié)B抗凍標(biāo)號(hào)，保證其具有一定的含氣量，以滿(mǎn)足抗凍要求。與同期一般工程相比，該工程通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)混凝土水泥材料強(qiáng)度、水灰比等原材料指標(biāo)進(jìn)行了選擇與調(diào)整，結(jié)果如表1所示。利用上述材料的用量及指標(biāo)控制，保證了施工后的面板混凝土性能指標(biāo)均達(dá)到二級(jí)配R250S8D250的要求，這一要求與其后頒布的新規(guī)范C25W8F300要求基本相同。

2.2 止水系統(tǒng)材料

面板接縫主要分為周邊縫、伸縮縫兩類(lèi)。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(qū)，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(shè)計(jì)中對(duì)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(shí)不流淌，低溫-45℃時(shí)不脆裂，變形率大于40%，耐久性好，滲透系數(shù)小于i×10-8cm/s等。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 壩體分區(qū)及壩料設(shè)計(jì)

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

墊層區(qū)主要為混凝土面板提供一個(gè)均勻、穩(wěn)定的低壓縮性基礎(chǔ)，同時(shí)滿(mǎn)足滲透穩(wěn)定準(zhǔn)則及嚴(yán)寒地區(qū)墊層料透水準(zhǔn)則。設(shè)計(jì)要求選用質(zhì)地新鮮，堅(jiān)硬且具有較好耐久性的石料經(jīng)過(guò)加工而成，最大粒徑不超過(guò)8cm，小于0.5cm的含量為25%～40%，小于0. 01 cm的含量不大于5%，連續(xù)級(jí)配料，Cu>20，滲透系數(shù)K = i×10-3cm/s。施工中將墊層料與過(guò)渡層料鋪筑和碾壓結(jié)合，倆區(qū)壩料同步填筑碾壓。既達(dá)到了面板有均勻、穩(wěn)定的支撐，又達(dá)到了節(jié)約用料降低造價(jià)的目的。

主堆石區(qū)為壩的主體，其石料的質(zhì)量、密度、沉降量的大小直接關(guān)系到面板大壩的安危，設(shè)計(jì)要求該料石質(zhì)堅(jiān)硬、級(jí)配良好，最大粒徑不超過(guò)60cm，小于0. 5 cm的含量不超過(guò)20%，小于0.01 cm的含量不大于5%，連續(xù)級(jí)配料， Cu>15，次堆石區(qū)主要用于保護(hù)主堆石體及其自身邊坡的穩(wěn)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(yīng)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(qū)的界限設(shè)置成自壩

軸線附近向下游傾斜坡度設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，使上下游堆石體的模量差盡量減小，加強(qiáng)壩體堆石碾壓，選擇有利施工時(shí)段，盡量避開(kāi)冬季施工。墊層區(qū)滿(mǎn)足滲透穩(wěn)定準(zhǔn)則及嚴(yán)寒地區(qū)墊層料透水準(zhǔn)則等措施，保證了壩體填筑質(zhì)量及結(jié)構(gòu)運(yùn)行的要求。

3.2 混凝土面板、趾板及止水設(shè)計(jì)

大多數(shù)觀測(cè)資料表明，在水荷載作用下，面板的大部分區(qū)域受壓，僅在壩頂和近岸邊處有拉應(yīng)變。面板應(yīng)變和堆石體變形特性密切相關(guān)，與其厚度關(guān)系不大。該工程的混凝土面板厚度采用連續(xù)變截面形式，最大厚度為0. 5m，最小厚度為0.3m。面板間伸縮縫只設(shè)縱縫，不設(shè)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6m，面板最大板塊斜長(zhǎng)91.05 m。在面板中部設(shè)單層雙向鋼筋，適當(dāng)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(shí)機(jī)，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(jié)構(gòu)的連接部位，是一個(gè)承上啟下的防滲結(jié)構(gòu)。采用平趾板型式布置，板厚0.8m。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(jù)基巖風(fēng)化、破碎情況，允許滲透比降和基礎(chǔ)處理措施綜合確定，趾板最大寬度6.0m，最小寬度4.0m，趾板每12 m設(shè)一道伸縮縫。為保證趾板與基巖的可靠連接，通過(guò)錨桿錨固試驗(yàn)，并參照已建工程經(jīng)驗(yàn)，在趾板內(nèi)設(shè)置φ28錨筋，插入巖石深度3.5m，每1.2m2布置一根。

4 主要運(yùn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.1 壩體沉降

大壩的沉降監(jiān)測(cè)分兩個(gè)高程、五個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：大壩的沉降量隨大壩填筑高度增加而增大，符合一般規(guī)律。當(dāng)大壩填筑到頂后，各測(cè)點(diǎn)沉降量增加很少，蓄水后各測(cè)點(diǎn)沉降量也沒(méi)有明顯增加，即大壩后期沉降不會(huì)很大?？⒐て谧畲蟪两迭c(diǎn)在壩軸線處，最大沉降值為20.2cm，占?jí)胃撸?6.6m）的0.38%，蓄水期最大沉降值為25.2cm，占?jí)胃撸?6.6 m）的0. 47%，在國(guó)內(nèi)同類(lèi)工程中屬偏小。

4.2 壩體水平位移

通過(guò)各高程處引張線水平位移計(jì)對(duì)壩體水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：測(cè)點(diǎn)水平位移變化有規(guī)律，施工期的位移量總體上向上游移動(dòng)，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(wěn)定。

4.3 面板周邊縫位移及滲流監(jiān)測(cè)

利用7個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)周邊縫的沉降、剪切及開(kāi)合度過(guò)程線進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量發(fā)現(xiàn)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(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，滲漏量為13.9×10-3m3/s，年滲水量為44萬(wàn)m3，小于設(shè)計(jì)滲漏量。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)研究及參考已有工程經(jīng)驗(yàn)，該混凝土面板堆石壩在遵循傳統(tǒng)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)同時(shí)，也結(jié)合氣候特點(diǎn)采取了一些相應(yīng)的改進(jìn)措施，保證了大壩能較好的適應(yīng)極端氣候運(yùn)行的要求。水庫(kù)蓄水后經(jīng)歷了幾個(gè)嚴(yán)冬，通過(guò)大壩的沉降、位移、滲流量等參數(shù)監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，大壩的總體運(yùn)行狀況良好。

參考文獻(xiàn)

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