試論水利水電工程中建筑設(shè)計探討

□韋光林（安順市水利水電勘測設(shè)計院）

1.工程實(shí)例概述

1.1 工程簡介

本工程水庫樞紐由主壩、電站及泄水底孔等組成，水庫主要任務(wù)是調(diào)節(jié)水量，供當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)及城市人民生活用水，結(jié)合引水發(fā)電，并兼顧防洪要求，盡可能使其工程提前竣工獲得收益，盡早建成。根據(jù)水庫的工程規(guī)模及其在國民經(jīng)濟(jì)中的作用，樞紐定為一等工程，主壩為I 級建筑物，其它建筑物按II 級建筑物考慮。工程緊靠公路，與鐵路線相距約1km，交通便利，不需另外修建對外臨時施工道路。河谷地形見圖1。

1.2 水文氣象

年徑流：河水水量較充沛，河站多年平均年徑流量為24.5億m3占全流域的53%，年內(nèi)分配很不均勻，主要集中在汛期7、8月份。豐水年時占全年50%～60%，枯水年占30%～40%，而且年際變化也很大。

洪水：多發(fā)生在7月下旬至8月上旬，有峰高量大漲落迅速的特點(diǎn)，據(jù)調(diào)查近一百年來有6 次大水，最大一次的洪峰流量約為24400～27400m3/s。

圖1 河谷地形圖

泥沙：本流域泥沙顆粒較粗，中值粒徑0.0375mm，全年泥沙大部分來自汛期7、8月份，主要產(chǎn)于一次或幾次洪峰內(nèi)且年際變化很大，由計算得，多年平均懸移質(zhì)輸沙量為1825 萬t 多年平均含沙量7.45kg/m3。推移質(zhì)缺乏觀測資料。可計入前者的10%，這樣總?cè)霂焐沉繛?010 萬t。淤砂浮容重為0.9t/m3，內(nèi)摩擦角為12°。淤砂高程157.5m。

1.3 地質(zhì)條件

工程所在區(qū)域的主要地質(zhì)分為三層：第一層為淤泥質(zhì)亞粘土，分布標(biāo)高為-6.04～-9.27m，厚度約1.3～2.8m 不等，該層上部覆蓋厚約0.6m 粗砂，呈松散狀，灰褐色。第二層為圓礫，褐黃色，混有不均勻粗礫砂，呈中密狀，分布標(biāo)高為-7.54～-12.94m，厚度約2.8～3.7m 不等。第三層為風(fēng)化巖，褐黃夾雜色，原巖結(jié)構(gòu)明顯，長石幾乎風(fēng)化成土，石英呈砂粒，屬強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，分布標(biāo)高自-10.14～-12.94m。

2.水利水電工程建筑設(shè)計的要點(diǎn)

2.1 建筑物分級

永久性建筑物系指工程運(yùn)行期間使用的建筑物，根據(jù)其重要性分為：主要建筑物—系指失事后將造成下游災(zāi)害或嚴(yán)重影響工程效益的建筑物，如堤壩、水閘、電站廠房及泵站等。次要建筑物—系指失事后不致造成下游災(zāi)害或?qū)こ绦б嬗绊懖淮蠼ㄖ?，如擋土墻、?dǎo)流墻及護(hù)岸等。臨時性建筑物系指工程施工期間使用的建筑物，如導(dǎo)流建筑物、施工圍堰等。見表1。

表1 水利水電工程建筑物分級表

對二至五等的工程和臨時工程，遇到下列情況時，可適當(dāng)提高或降低其建筑物的級別：工程位置特別重要，失事后可能造成重大災(zāi)害者，可提高一級；當(dāng)水工建筑物的地質(zhì)條件特別復(fù)雜，或采用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較少的新型結(jié)構(gòu)時，可提高一級；臨時性的水工建筑物一旦失事將造成嚴(yán)重災(zāi)害或?qū)こ逃袊?yán)重影響時，可提高一至二級；失事后影響不大的工程，經(jīng)論證后可降低級別。

2.2 建筑物上的作用

2.2.1 自重

主要包括建筑物自重和建筑物上設(shè)備的自重。G=ΣVγ。

2.2.2 水作用

2.2.2.1 靜水壓力：隨上、下游水位的高低而定

靜水壓強(qiáng)p=γh（kPa）

式中：h—水面以下的深度，m;γ—水的容重，一般取9.81 kN/m3。

靜水壓力P，在水深H 處，單位寬度上水平靜水壓力為：PH=γH2/2（kN），豎向水壓力為：PV=γH2ctgα/2（kN）。

2.2.2.2 動水壓力：當(dāng)水流流經(jīng)曲面時，由于流向的改變，在曲面上產(chǎn)生動水壓力

式中：PH、PV—總動水壓力的水平和鉛直分量（kN）；α1、α2—反弧最低點(diǎn)兩側(cè)弧段所對的中心角（°）；q—單寬流量，（m3/s.m）；g—重力加速度（m/s2）；V—水的流速，（m/s）。

2.2.2.3 滲透水揚(yáng)壓力

對于壩基或壩體的水平截面，由于水滲入壩基或壩體而產(chǎn)生的向上孔隙水壓力，稱為揚(yáng)壓力。揚(yáng)壓力的組成有兩部分：浮托力。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)處于上、下游水位以下時，存在該力，其大小與該質(zhì)點(diǎn)相對于下游水位的深度有關(guān)。滲透水壓力。由上、下游水位差產(chǎn)生，與該點(diǎn)相對于上游水位的位置有關(guān)。

2.2.3 土壓力及泥沙壓力

式中：Ps—壩面每米寬度上的水平泥沙壓力，kN/m；γsb—淤沙的浮容重，kN/m3；hs—壩段前泥沙淤積厚度，m；φs—淤沙的內(nèi)摩擦角。

2.2.4 冰壓力和冰凍作用

2.2.4.1 靜冰壓力

當(dāng)水庫表面積冰時，隨著氣溫升高，冰層膨脹而對建筑物產(chǎn)生的壓力，稱為靜冰壓力。作用點(diǎn)為：冰面以下1/3 冰厚處。靜冰壓力的大小與冰層厚度、開始升溫時的氣溫、溫升率等因素有關(guān)，通?？砂幢?確定：（對小型水庫，冰壓力值應(yīng)乘以0.87，對大型平原水庫應(yīng)乘以1.25。）

表2 靜冰壓力表

2.2.4.2 動冰壓力

在上述干擾場景和干擾參數(shù)下，采用四相位等分分段多相位分段調(diào)制干擾，相位值按照從小到大的順序進(jìn)行調(diào)制，與間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾進(jìn)行以下3組仿真對比實(shí)驗(yàn)，各實(shí)驗(yàn)進(jìn)行100次蒙特卡洛仿真，各組MTD結(jié)果取蒙特卡洛仿真結(jié)果均值的最大值對應(yīng)的距離和速度作為目標(biāo)信息。

冰塊破碎后，由于飄流而撞擊壩體產(chǎn)生的作用力為動冰壓力。動冰壓力對于胸墻、閘墩、低壩等有較大危害。當(dāng)冰塊運(yùn)動方向大體垂直于壩面時，動冰壓力可按下式計算：

式中：Pb—動冰壓力（kN）；Kb—系數(shù)，由流冰抗壓強(qiáng)度決定，Kb=2.36～4.3；Vb—流冰速度，m/s；db—流冰厚度，m；Ab—冰塊面積，m2。

2.2.5 溫度作用

隨著氣溫的變化，建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的各種應(yīng)力、應(yīng)變、位移等，均為溫度作用效應(yīng)，其中以混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最為明顯。

對建筑物外界氣溫的年周期變化過程，可用下式描述：

式中：Ta—多年月平均氣溫，℃；Tam—多年年平均氣溫，℃；Aa—多年平均氣溫變幅，℃；ω—圓頻率，ω=2π/12；τ—時間變量，月；τ0—初始相位，緯度>30 度時為6、5月，緯度<30 度時為6、7月。

而水庫壩前水溫的年過程線可用下式表示：

式中：Twm（y，τ）—水深y 米處τ 時刻的多年月平均水溫；Twm（y）—水深y 米處的多年年平均水溫；Aw（y）—水深y 米處多年平均水溫年變幅；ε（y）—水深y 米處的水溫與氣溫年變化間的相位差。

3.水利水電工程建筑設(shè)計的主要內(nèi)容

3.1 水庫樞紐建筑物

根據(jù)水庫樞紐的任務(wù)，該樞紐組成建筑物包括：攔河大壩、溢洪道、水電站建筑物、灌溉渠道、水庫放空隧洞（擬利用導(dǎo)流洞作放空洞）、筏道。

3.1.1 泄水建筑物土石壩最適合采用岸邊溢洪道進(jìn)行泄洪。在壩軸線下游300m 處的兩岸河谷呈馬鞍型，右岸有埡口，布置正槽式溢洪道。采用正槽式溢洪道可以節(jié)省土石方開挖量，若布置在基巖上，可以節(jié)省混凝土襯砌工程量，并有利于工程安全。由于正槽式溢洪道全部是開敞的，正向進(jìn)流，水流平順，泄洪能力大，結(jié)構(gòu)比較簡單，運(yùn)行安全可靠，便于施工，管理和維修。

3.1.2 灌溉引水建筑物

由于主要灌區(qū)位于河流右岸，但右岸壩區(qū)破碎深達(dá)60m 的鉆孔巖芯獲得率僅為20%，巖石裂隙十分發(fā)育，可以考慮采用適當(dāng)?shù)牡鼗幚?，將溢洪道布置在右岸?/p>

3.1.3 水電站建筑物

由于土石壩不宜采用壩式和壩后式廠房，而宜采用岸邊引水式廠房，采用單元供水式引水發(fā)電較為合理。

3.2 壩與地基兩岸的連接及處理

對于壩址兩岸上的黃土若有條件可以全部挖除，因?yàn)辄S土的主要特點(diǎn)是浸水后沉降較大，所以經(jīng)過論證后可以采用預(yù)先浸水法，由于其巖石裂隙較為發(fā)育，所以應(yīng)進(jìn)行灌漿處理。其壩基處的巖層需要進(jìn)行帷幕灌漿，兩岸的巖層可以先挖除表面風(fēng)化巖層，然后可以進(jìn)行打錨桿或固結(jié)灌漿的方式進(jìn)行加固處理。左岸的粘土可以全部挖除，與經(jīng)過處理的黃土可以作為筑壩原材料，處理方法采用預(yù)先浸水法，然后進(jìn)行灌漿處理。壩體與岸坡的連接，壩肩結(jié)合面范圍內(nèi)的所有腐殖土層、樹根、草根，均需要徹底清除。岸坡應(yīng)削成平順的斜面，左右岸岸坡均按設(shè)計值放坡。

3.3 壩體與混凝土建筑物的連接

土石壩與混凝土建筑物的連接采用側(cè)墻式或插入式,壩與溢洪道等建筑物的連接采用側(cè)墻式，土質(zhì)防滲體與混凝土建筑物的連接面應(yīng)有足夠的滲徑。連接段防滲體適宜加大斷面，或用高塑性粘土填筑夯實(shí)。

4.結(jié)語

水利水電的建筑設(shè)計是水利水電工程中很重要的一個方面，如何結(jié)合新時期對其建筑設(shè)計的要求，做好建筑設(shè)計工作，是一項(xiàng)很艱巨的任務(wù)。水利水電工程關(guān)系到所在地區(qū)的農(nóng)林漁牧等產(chǎn)業(yè)和居民生活的發(fā)展，因此需要設(shè)計人員提高業(yè)務(wù)能力，保證建筑物的質(zhì)量，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

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