周鹤翔

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065）

水利工程大坝结构设计的几点探讨

周鹤翔

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065）

因为水利工程功能作用的特殊性，大坝结构经常受水流冲刷，受外界各因素干扰影响大，如果设计施工不当，很容易出现质量问题，产生重大的经济损失，情况严重的甚至会发生安全事故。基于水利工程大坝施工要求，对结构进行有效设计，确保施工结果可以达到专业要求，文章对此进行了简要分析。

水利工程；大坝；结构设计

水利工程行业发展迅速，逐渐有更多新型技术与材料被应用其中，对进一步提高工程施工效果具有重要意义。尤其是大坝结构的设计施工，因为其功能性的特殊性，为延长其服务年限，保证其具有良好的运行效果，必须要结合作用要求，以及施工特点，做好各设计要点的控制，提高设计方案的合理性与可操作性，减少各类问题的发生，保证施工结果达到专业标准。

1　水利工程大坝结构分析

大坝作为水利工程重要组成部分，其所处环境比较特殊，需要承受的荷载较大，且很容易受到外界各因素的干扰，如果结构设计不合理，会加大质量隐患出现的可能性。基于此，为充分发挥水利工程大坝功能，延长其服务寿命，必须要重视结构设计管理，提高设计方案的合理性与科学性，在降低施工难度的同时，提高施工效果，保证结构具有抵抗外力影响的能力。水利工程施工环境比较复杂，且因为多处于野外环境，受地质地形影响严重，要重视大坝结构基础设计，提前对现场进行地质勘察，将勘察结果作为结构设计的依据。随着水利工程规模的加大，大坝结构设计难度也不断提高，且近年来水患问题严重，均对大坝结构设计提出了更为严格的要求。而大坝结构一旦施工完成后，如果出现质量问题，处理难度比较高，返修工作难以有效展开，因此要求结构设计具有高度的合理性，可以适应地质与气候环境，有效抵消外界因素的干扰，充分发挥结构所具有的功能，达到预期的效果。

2　水利工程大坝结构设计要求

2.1工程概述

以某水利工程为例，对其大坝结构设计进行分析。坝址以上流域面积2860km2，多年平均年径流量12.32亿m³，总库容量2.314亿m³，电站装机60MW，工程等别为Ⅱ等。工程组成主要包括混凝土面板堆石坝、溢洪道、泄洪洞、发电引水系统以及电站厂房等，其中坝顶长280m，坝顶高程552.3m，防浪墙顶高程550.2m，坝顶宽6m，最大坝高56.8m，上游坝坡1∶1.4，下游坝坡1∶1.3［1］。且混凝土面板厚度0.3～0.5m，趾板厚0.8m。坝体分为垫层区、主堆石区、过渡层区、次堆石区以及周边缝下游设置的特殊垫层小区。工程坝址日内温差大，孔隙水结冰充分，存在多次冻融情况，因此坝体所选面板应具有较高的强度、抗冻性、耐久性以及柔性等特点，可以完全满足大坝结构施工要求。

3　坝体材料选择

3.1面板混凝土

面板服务寿命主要由面板混凝土耐久性决定，在大坝服务过程中，面板会受气候因素以及各种物理因素干扰，如风吹日晒、冲刷抗冻融、溶蚀、疲劳、碳化等，所产生的影响并不会直接表现出来。因此，在选择面板混凝土材料时，需要保证其具有良好的耐久性，对延长其服务寿命具有重要意义。可以选择多种性能材料，通过对工程建设要求进行分析，对比分析后选择最为合适的材料。且为充分发挥材料所具有的性能，还可以根据实际情况，对材料强度、水灰比等指标进行调整。

3.2止水材料

面板接缝包括周边缝与伸缩缝两种，其中周边缝即面板与趾板间接缝，而伸缩缝又可以分为防浪墙与面板间接缝、趾板间接缝和防浪墙间接缝以及面板间接缝。本工程坝址区多年平均气温2.5℃，虽低气温可达-41.3℃，最高气温35.2℃，温度浮动大。基于此在选择止水材料时，需要确保其可以满足工程施工要求，要求所选柔性嵌缝材料60℃环境下，不会出现流淌现象，且低温-45℃不会脆裂，变形率大于40%，具有较高的耐久性［2］。

4　水利工程大坝结构设计要点

4.1大坝结构设计

结合工程所选筑坝材料性质，以及面板坝工作条件，在对大坝结构进行设计时，将其划分为垫层区、过渡层区、主堆石区、次堆石区间以及周边缝下游部位特殊垫层小区［3］。

4.2材料选择

（1）垫层区。垫层区主要作用是为混凝土面板提供均匀性与稳定性高的地压缩性基础，并满足渗透稳定准则和严寒地区垫层料透水准则。设计时要根据建设要求来选择材料，石料质地要新鲜，坚硬且具有良好的耐久性，粒径最大在8cm以内，且小于0.5cm的含量要控制在25%～40%左右，不足0.01cm的含量应在5%以内。连续级配料，Cu＞20，渗透系数K=i×10-3cm/s［4］。铺筑与碾压阶段，对垫层料和过渡层料进行充分混合，提高面板均匀性与稳定性，并将造价控制在预算范围内［4］。

（2）主堆石区。主堆石区为水利工程大坝结构的主要组成部分，所选石料质量、密度与沉降量是否达到施工要求，将会直接影响面板大坝结构安全性。因此要尽量选择质地坚硬、级配良好的石料，且要将其最大粒径控制在60cm以内，不足0.5cm的含量要在总量的20%以内，不足0.01cm则应为总量的5%以内。连续级配料，Cu＞15。对于主堆石区来说，其可以与下游堆石不均匀变形造成面板产生较大拉应力，产生面板裂缝。这样在对结构进行设计时，主堆石与下游堆石区需要选择同一种材料，降低上下堆石体模量差。

4.3混凝土面板设计

面板受水荷载影响，会存在大部分区域受压，且会在坝顶与近岸位置产生拉应变，且面板应变与堆石体变形存在密切联系。本工程混凝土面板厚度选择用连续变截面设计箱式，确定最大厚度0.5m，最小厚度0.3m。且只设置了纵缝，未设置永久水平缝，其中垂直缝与河谷中部间距12m，与两岸间距6m。另外，还对面板中部位置设置了单层双向钢筋，适当的提高了配筋率［5］。

4.4趾板设计

趾板即以灌浆帷幕为主，用于连接地下防渗体系与地上防身结构的承上启下的结构，本工程选择了平趾板方式，板厚0.8m。趾板线需要通过面板地面和趾板下游面交线进行控制，综合分析基岩破碎、风化情况，采取了渗透比降和基础处理，控制趾板最大宽度为6.0m，最小为4.0m，并且每隔12m便需要设置一条伸缩缝。另外，为提高趾板与基岩连接效果，还利用锚杆进行了锚固处理，插入岩石3.5m，根据实际情况确定每隔1.2m2便设置一根。

5　运行监测结果

5.1坝体沉降

对坝体沉降度进行监测时，确定为两个高层、五个测点同时进行。对监测数据进行分析，可以确定随着大坝填筑高度的增加，沉降量也不断增大，当大坝填筑到顶端后，各测点沉降量会逐渐降低，且蓄水后个测点沉降量也无明显变化。

5.2水平位移

对坝体水平位移进行监测时，可以利用各高层处引张线水平位移为依据进行计算。监测后确定测点水平位移存在一定规律，施工阶段位移量呈现总体向上游移动现象，蓄水后位移方向则更改为向下游，并且水位位移程度比较小，经常一段时间后总体逐渐趋于稳定［6］。

5.3周边缝位移

利用各测点对周边缝沉降、剪切以及开合度过程线进行监测。根据监测结果可以确定，混凝土面板周边缝变形情况比较小，存在较小的止水破坏概率。同时经过渗漏监测后，确定工程面板渗漏量为13.8×10-3m3/s，年渗水量为43万m3，在设计渗漏量范围内。

6　结束语

水利工程为社会建设重要基础项目，建设效果与社会生产生活均有着密切联系，需要重点做好其施工技术与操作工艺的分析与管理，提高各项作业实施的规范性。重点分析大坝结构设计要点，对各个分区设计内容做好控制，且在运行后要做好监测，保证设计结果可以满足实际应用需求。

［1］何金平，李珍照，施玉群. 大坝结构实测性态综合评价方法研究［J］.水力发电学报，2001，（2）：36-43.

［2］“635”水利枢纽大坝心墙防渗土料工程特性及防渗结构设计［J］.新疆水利，2000，（5）：5-13.

［3］薛兴祖，程玉辉.老龙口水利枢纽工程大坝优化设计［J］.水利规划与设计，2008，（5）：59-61.

［4］邓铭江，韩民，陆鸣，等.卡拉贝利水利枢纽地震安全评价及大坝抗震结构设计［J］.水利水电技术，2012，（9）：59-64.

［5］杨捷，何金平，李珍照.大坝结构实测性态综合评价中定量评价指标度量方法的基本思路［J］.武汉大学学报（工学版），2001，（4）：25-28.

［6］王小毛，徐麟祥，廖仁强.三峡工程大坝设计［J］.中国工程科学，2011，（7）：70-77.

TV64

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1671-3818（2016）09-0248-02

周鹤翔（1988-），男，陕西西安人，研究方向：水工结构。