車家壩河水利樞紐碾壓混凝土重力壩設計

王小杰

（華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030）

重力壩是由混凝土或漿砌石修筑的大體積擋水建筑物[1]。據史記載，最早的重力壩是公元前2900年古埃及在尼羅河上修建的一座高15m、頂長240m 的擋水壩[2]，1962年，瑞士建成了世界上第一座混凝土重力壩，壩高285m。1948年以后，我國水利水電事業蓬勃發展，1949—1985年，在已建成的113 座壩高30m以上的混凝土壩中[3]，重力壩達58 座，占總數的51%。我國已建成的長江三峽水利樞紐也采用了重力壩壩型[4-7]。

重力壩是水利水電工程中最常用的一種成熟壩型，特別是農村小水利水電工程中，小型重力壩得到了廣泛的應用。2008年重慶市奉節車家壩河水利樞紐工程，大壩壩型亦采用了重力壩。本文將簡單介紹該工程在重力壩設計上的一些情況。

1 工程概況

車家壩河水利樞紐位于梅溪河上游一小支流上段。它北、西面的“望鄉臺”山脈及南面的“無徒山”山脈是梅溪河水系與湯溪河水系的分水嶺[8]。梅溪河發源于巫溪、云陽兩縣，于奉節縣城關注入長江，全長98 公里，流域面積為1 972 平方公里，流域似桑葉狀，河系呈樹枝狀，流向大致由西北向東南。該電站工程開發任務為發電和航運，并兼有防洪、灌溉、供水等。本電站采用混合式開發方式，水庫正常蓄水位890.00m，總庫容2 200 萬m3，設計引用流量35.0m3/s。根據中華人民共和國國家標準《防洪標準》（GB50201-94）和 《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》（DL/T5180—2003）[3]規范，屬小（1）型水電站，Ⅳ等工程，主要建筑物沖砂泄洪閘壩、電站主副廠房、非溢流壩等為2 級建筑物，次要建筑物鋪蓋、攔砂坎、上下游導墻、護坦、海漫等為3 級，臨時建筑物為4 級。下游河道左岸防洪堤為4 級建筑物。

2 壩體尺寸設計

2.1 壩頂高程確定

根據《混凝土重力壩設計規范》（DL5108—1999），壩頂高程按下式確定：

Δh=h1+hc+hz

式中：Δh—庫水位以上超高，m；h1—波浪高度，m；hz—波浪中心線超出靜水位的高度，m；hc—安全超高，m。

（1）設計情況。壩頂高程：▽設=890.00+2.71+0.40+0.99m=894.10m。

（2）校核情況。壩頂高程：▽校=890.00+1.30+0.40+0.76m=892.46m； 綜合設計、 校核情況，壩頂高程取二者最大值為894.10m。

2.2 壩寬計算

為了適應運用和施工的需要，壩頂必須有一定的寬度。一般地，壩頂寬度取最大壩高的8%～10%，且不小于3m。由于本樞紐沒有通車要求，取壩頂寬度B=6 米。

2.3 上游折坡點高程

為盡量利用水重來提高抗滑穩定，在滿足應力的前提下，上游坡應盡可能的緩。一般情況下，折坡點高度頂在壩高的1/3～2/3 處。該工程折坡點高程為：Z折=862.00m。

2.4 上下游邊坡坡度n、m

上游邊坡n 一般要求在0.15～0.35 之間，下游邊坡m 在0.6～0.8 之間。同時在滿足穩定和應力條件的情況下，取能使整個壩的工程量最小的n 和m 值。經過壩體的經濟剖面計算，可得n=0.2，m=0.8。

2.5 上游頭部和上游尾部厚度

上游頭部應當滿足強度、防滲、人防和布置灌漿廊道等的需要，通常取0.07～0.10 倍該高程處上游壩面作用水頭，并不得小于3m；尾部最小厚度td不得小于2m，寒冷地區應適當加厚。本壩取tu=5m，tu=4m。

圖1 混凝土重力壩剖面形狀圖

3 大壩結構設計

3.1 混凝土分區

重力壩的建筑材料主要是混凝土，水工的混凝土要求具有一定的抗滲、抗凍、抗沖刷、抗侵蝕、低熱、抗裂，硬化時體積變小等性能。應符合《混凝土重力壩設計規范》中的規定。混凝土的強度隨著齡期的增長而增長，因此，在規定設計標號時應同時規定設計齡期。壩體混凝土的強度一般采用90 天齡期，對于有其他要求的混凝土的齡期，可根據需要確定。壩體各部位工作條件不同，為了節約和合理利用水泥，通常將壩體混凝土按不同部位和不同工作條件分區，采用不同標號，一般可分為下列各分區（如圖2 所示）。

Ⅰ區——上下游水位以上壩體外部表面混凝土；Ⅱ區——上下游水位變化區的壩體外表面混凝土； Ⅲ區——上下游水位以下壩體外部表面混凝土；Ⅳ區——基礎混凝土；Ⅴ區——壩體內部混凝土；Ⅵ區——抗沖刷的混凝土（例如溢流面、泄水孔和閘墩等）。

圖2 壩體分區示意圖

3.2 壩體分縫

壩體分縫根據壩體結構布置、施工澆筑條件以及混凝土溫度控制等因素控制，大壩只設橫縫不分縱縫。橫縫有永久縫和臨時縫兩種，臨時縫一般在壩基條件不好的情況下，為了提高壩體的整體性而設置的。本樞紐壩基條件良好，無須設臨時縫。永久縫是為了防止出現由于不均勻沉降或溫度變化而出現裂縫而設置的。橫縫是垂直于壩軸線設置的，將壩體分為若干段。橫縫間距一般為12～20 米。本樞紐在各壩段間均設置橫縫。

橫縫內需要設置專門的止水。

（1）永久性橫縫面常為平面，不設鍵槽，不進行灌漿，不用預留縫寬。

（2）止水片。

第一道止水：一般以紫銅片為材料，厚度1.0～1.6mm，距離上游壩面1 米左右，伸入混凝土中的長度為20～25cm，見圖3。

第二道止水：材料為不銹鋼片，尺寸和上面一樣，距離上一止水0.8 米。

圖3 止水示意圖

3.3 壩體排水

壩身排水管應該靠近上游面，以便及早排除滲水，但與壩面距離一般不得小于壩前水深的1/10～1/12，一般為2～5m。以免滲透坡降過大，導致壩面混凝土因溶濾破壞。由此計算對于灌漿廊道處距壩面L1=（404-362）×0.1m=4.2m。

壩體排水管的間距一般為2～3 米；管內徑為15～25cm，管徑太小排水減壓效果差，且容易堵塞。排水管常用預制多孔混凝土管，在澆注混凝土時埋入壩內。距離壩的上游面5m 沿壩軸線方向設一排豎向排水管幕。管內徑為20cm，間距為3m，上端通至壩頂，下端通至廊道，垂直布置。排水管采用無砂混凝土管。

3.4 灌漿廊道

基礎廊道分為灌漿廊道和排水廊道。上游側布置灌漿廊道，廊道底部距壩基面5m，上游側距上游壩面6m，形狀采用城門洞形，底寬3m，高3.5m，內部上游側設排水溝，并在最低處設集水井。下游側布置排水廊道，廊道底部距壩基面5m，上游側距灌漿廊道下游側3m，形狀采用城門洞形，底寬2m，高2.5m。平行于壩軸線方向廊道向兩岸沿地形逐漸升高，坡度不大于40 度。

4 壩體穩定性分析

根據《混凝土重力壩設計規范》（DL5108—1999），抗滑穩定安全系數按下式確定：

式中：k′—計算抗滑安全系數；f′—壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數，根據規范取0.85；c′—壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力，根據規范取700kpa；A—壩基接觸面積，經計算可知為78.5m2，∑w—作用于壩體上全部荷載對滑動平面的法向分值，KN；∑p—作用于壩體上全部荷載對滑動平面的切向分值，KN。

表1 荷載計算成果表

表2 抗滑穩定算成果表

由表2 可知該重力壩的抗滑安全系數大于要求值，滿足規范設計要求。

5 基礎處理

壩基巖巖性為長石石英砂巖及泥巖、巖石風化不深，物理力學指標較高。基巖風化不深，但其上部普遍較破碎，壩基應開挖至弱風化下限至新鮮巖石上。從鉆孔壓水實驗情況看，壩基巖石屬中等至弱透水性，相對抗水線（q≤5Lu）較深。同時，左岸覆蓋層底部的細砂層亦有較強的透水性。因此壩基處理除清挖強風化破碎層外，尚需在壩的上游壩踵處設置帷幕灌漿阻水防滲。

6 結語

車家壩河水利樞紐中的擋水建筑物采用了混凝土重力壩。由于重力壩結構簡單，布置靈活，在樞紐布置上很好地結合了工程地形、地勢以及兩端的建筑物。該工程在抗滑穩定性上也能很好地滿足規范設計要求，是一個比較成功的工程設計，可以為同類工程提供參考。

[1]SL5108—1999，混凝土重力壩設計規范[S].中國水利電力出版社.

[2]吳持恭.水利學（第三版，下冊）［M］.北京：高等教育出版社，2003.

[3]DL5108-1999，混凝土重力壩設計規范[S].

[4]林繼鏞主編，水工建筑物[M]，北京：中國水利水電出版社，1996.

[5]王昌杰主編，河流動力學[M]，北京：人民交通出版社，2000.

[6]李建中，寧利中編著.高速水力學[M].西安：西北工業大學出版社，1994，12.

[7] Diez2Cascon J .Studies on the hydraulic behaviour of stepped spillway[J].Internation Water Power and Dam Construction，1991，43(9):22 —26.