某水利施工工程及主坝设计思路之研究

2016-06-29孙展杰塔里木河流域管理局

河南水利与南水北调 2016年4期

□孙展杰　□孙　倩（塔里木河流域管理局）

某水利施工工程及主坝设计思路之研究

□孙展杰□孙倩（塔里木河流域管理局）

摘要：近年来，在国家经济快速发展的促使下，水利工程项目得到重视和发展。主坝是水利工程项目的重点，是影响水利工程项目建设效果的关键，在整个水利工程项目中占有重要位置。因此，主坝设计显得尤为重要。文章将在某水利工程的基础上，探究主坝设计思路，以供相关人士参考。

关键词：水利工程；主坝；设计思路

0　前言

水利工程在国民经济中占有地位，是推动国民经济发展的有效动力。主坝设计直接关系着水利工程质量，是影响水利工程施工效率的关键所在。因此，为保证水利工程施工质量，延长水利工程使用年限，应采用科学有效的措施，优化主坝设计，促进水利工程发展。

1　水利工程概述

本水利工程项目主坝选址于呈开阔V型斜向谷的河段，相较而言，左岸较完整，右岸受冲沟切割影响。辉绿岩、硅质岩以及泥岩等是主坝水利工程建设的主要对象，具有岩性复杂等特点，呈现出软硬不均衡状态。同时，基岩裂隙水是地下水的主要形式，存在水力联系差的问题，相较而言，具有水文地质条件简单的优势。7度是坝址区地震的基本裂度，8度为设防裂度，且抗震预防等级为甲级。

2　主坝设计思路

主坝设计在整个水利工程中占有重要位置，其蕴含的内容十分丰富，主要包含主坝布置、主坝断面设计、主坝稳定性与应力分析、坝体分缝分析、坝体防渗止水和排水设计以及坝体混凝土分区设计等。

2.1主坝布置

主坝位于约厚127 m的辉绿岩上，呈折线状沿辉绿岩层布设，坝顶约长720 m，包括共24个坝块，具体坝块分类如表1所示。

将坝顶高程设置为234 m，130 m为最大坝高。中孔和表孔是构成泄水建筑物的重要要素，布置于河床左侧4A#至5#坝块上。其中，中孔规格为宽4m、高7m，共3个，表孔规格为宽14m、高18 m，共4个。

表1　坝体分类表

2.2断面设计

第一，断面设计原则：碾压混凝土与常态混凝土基本性能存在诸多共同点，同时，碾压混凝土重力坝与常规混凝土重力坝的工作状态基本相似，可采用相同的设计方法对其进行设计。在碾压混凝土重力坝断面设计过程中，应对碾压混凝土坝材料予以重视。因为碾压混凝土坝材料的软弱区存在于RCC碾压施工层面，导致坝体横缝间距偏大。

第二，优化断面设计：动态规划法不仅适用于溢流坝，同样适用于非溢流坝。在坝的断面面积（A）最小的目标函数基础上，将决策变量设置为上、下游面坡率，即m1，m2，m3。同时，将起坡高程H2与变坡高程H3设置为决策变量。因此，可将目标函数用如下函数表示：optAmin=f（m0，m1，m2，H2，H3），在此函数中，m0表示上游面坡率，m1，m2分别表示下游面两个坡率，且m1＜m2。

以混凝土重力坝设计规范为基准，依据相关规程和坝址实际情况，明确应力和抗滑稳定的约束条件，找出限制坝底宽度的条件。在碾压混凝土机械施工条件的指导下，掌握约束坝坡率的关键因素，从而构建目标函数的约束集，采用逆序求解方式达到求解的目的，从而获得基本断面，即挡水坝断面。见图1。

2.3主坝稳定性与应力分析

图1　主坝施工断面图

一方面，计算坝身与坝基面，在抗剪断强度公式的基础上，准确计算坝块的抗滑稳定性。针对计算结果，重点分析极具代表性的4B#、6A#的计算结果。具体数据如表2所示。

表2　顺流向抗滑稳定安全系数值表

在应用抗剪断公式计算相关数据前，选定相关参数，主要包括RCC结合面和坝基接触面。针对RCC结合面而言，f=1.1，c'=0.90 MPa，针对坝基接触面而言，4B#：f=1.1，c'=1.00 MPa，6A#：f=1.00，c'=0.80 MPa。

另一方面，材料力学法应力计算，一般而言，以偏心受压公式为基准，实现坝的应力计算。其中，在无地震力的作用下，坝块间运用期所产生的应力均属于压应力范畴。另外，不管施工是否涉及扬压力，其应压力应小于坝体混凝土以及地基的应压力。在涉及地震力作用的基础上，0.80 MPa是坝体的最大主拉应力，且明显小于抗拉强度。在此情况下，则标志坝体抗拉效果良好，具有较高安全性。

2.4坝体分缝设计

一般而言，坝体布置、结构以及混凝土温度等因素是判定主坝分缝的关键因素，共包括6块左岸挡水坝段，其长度依次为：36、36、30、30、30、30 m，3块溢流坝段，长度依次为33、22、33 m，4块均长为27 m的右岸河床坝段，10块右岸非溢流坝段，36 m为右坝头两块长度，且包含1块长为20 m的外，均属于长30 m的断坝，同时不设纵缝于坝体中。

若以RCC主坝温度为参考，分析相关应力，为迫使上游坝面抗裂性能得到改善，在设置上述横缝的前提下，将约长3 m左右的一短缝设置其中，且经应力释放限裂结构设置于缝端。

2.5坝体防渗止水和排水设计

首先，针对坝体上游面防渗：针对上游面而言，以二级配RCC作为主要防渗材料。同时，将聚合物高分子防渗材料涂置于蓄水位228 m以下的上游坝面，以达到防渗的效果。

其次，针对坝体止水：止水不仅要设置于主坝横缝中，而且应设置于短缝中。一般而言，若坝高＞70 m时，则需设置二铜一塑，若坝高＜70 m时，则需设置一铜一塑。需注意的是，50 cm是第一道铜片与坝面的距离，且保持止水片间距为50 cm，塑料止水主要用于最后一道。

最后，针对坝体排水：将排水孔设置于基础排水廊道中和由155 m、200 m高程排水观测廊道构成的立面，迫使排水幕形成于坝体内。针对155 m高程排水观测廊道，主要采用埋管法方式设置排水孔，且排水孔规格为孔径为15 cm，而间距为3 m。针对200 m高程排水观测廊道，主要采用钻孔法方式设置排水孔，且排水孔规格与155 m高程排水观测廊道设置的排水孔规格一致。

2.6坝体混凝土分区设计

坝体混凝土分区设计由溢流坝断断面与挡水坝段断面构成，在设计该部分内容时，应以坝段工作条件为基础，合理、科学选择混凝土。针对本工程，有四个部分组成：第一，坝体内部三级配RCC；第二，厚1.50 m左右的坝基垫层抗渗常态混凝土；第三，将空孔放置于坝面和泄洪处，采用闸墩以抗冲混凝土；第四，针对坝体上游面而言，采用二级配抗渗RCC，水头的1/15是RCC的厚度规范，以2、3.50、4.80、8 m为基本标准，由上至下采用分阶梯方式进行布置。若断面的挡水坝坝高处于70 m之上，则需适当考虑坝体抗震，将二级配置RCC设置于坝体下游165 m至220 m高程处。

除上述要素外，在水利工程主坝设计思路中，应适当添加抗震动力设计以及地基处理问题，以确保主坝设计的完整性，为水利工程施工提供便利。