車家壩河水利樞紐碾壓混凝土重力壩設(shè)計

王小杰

（華電電力科學(xué)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(jù)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(yè)蓬勃發(fā)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(dá)58 座，占總數(shù)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(nóng)村小水利水電工程中，小型重力壩得到了廣泛的應(yīng)用。2008年重慶市奉節(jié)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(shè)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(xiāng)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(fā)源于巫溪、云陽兩縣，于奉節(jié)縣城關(guān)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(fā)任務(wù)為發(fā)電和航運，并兼有防洪、灌溉、供水等。本電站采用混合式開發(fā)方式，水庫正常蓄水位890.00m，總庫容2 200 萬m3，設(shè)計引用流量35.0m3/s。根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-94）和 《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》（DL/T5180—2003）[3]規(guī)范，屬?。?）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(dǎo)墻、護(hù)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(shè)計

2.1 壩頂高程確定

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)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(shè)計情況。壩頂高程：▽設(shè)=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(shè)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(yīng)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(wěn)定，在滿足應(yīng)力的前提下，上游坡應(yīng)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(wěn)定和應(yīng)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(jīng)過壩體的經(jīng)濟(jì)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(yīng)當(dāng)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(qū)應(yīng)適當(dāng)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(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 混凝土分區(qū)

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?jié)B、抗凍、抗沖刷、抗侵蝕、低熱、抗裂，硬化時體積變小等性能。應(yīng)符合《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定。混凝土的強度隨著齡期的增長而增長，因此，在規(guī)定設(shè)計標(biāo)號時應(yīng)同時規(guī)定設(shè)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(jù)需要確定。壩體各部位工作條件不同，為了節(jié)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(qū)，采用不同標(biāo)號，一般可分為下列各分區(qū)（如圖2 所示）。

Ⅰ區(qū)——上下游水位以上壩體外部表面混凝土；Ⅱ區(qū)——上下游水位變化區(qū)的壩體外表面混凝土； Ⅲ區(qū)——上下游水位以下壩體外部表面混凝土；Ⅳ區(qū)——基礎(chǔ)混凝土；Ⅴ區(qū)——壩體內(nèi)部混凝土；Ⅵ區(qū)——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(qū)示意圖

3.2 壩體分縫

壩體分縫根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)置的。本樞紐壩基條件良好，無須設(shè)臨時縫。永久縫是為了防止出現(xiàn)由于不均勻沉降或溫度變化而出現(xiàn)裂縫而設(shè)置的。橫縫是垂直于壩軸線設(shè)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(shè)置橫縫。

橫縫內(nèi)需要設(shè)置專門的止水。

（1）永久性橫縫面常為平面，不設(shè)鍵槽，不進(jìn)行灌漿，不用預(yù)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(yīng)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(dǎo)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(nèi)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(yù)制多孔混凝土管，在澆注混凝土?xí)r埋入壩內(nèi)。距離壩的上游面5m 沿壩軸線方向設(shè)一排豎向排水管幕。管內(nèi)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(chǔ)廊道分為灌漿廊道和排水廊道。上游側(cè)布置灌漿廊道，廊道底部距壩基面5m，上游側(cè)距上游壩面6m，形狀采用城門洞形，底寬3m，高3.5m，內(nèi)部上游側(cè)設(shè)排水溝，并在最低處設(shè)集水井。下游側(cè)布置排水廊道，廊道底部距壩基面5m，上游側(cè)距灌漿廊道下游側(cè)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(wěn)定性分析

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（DL5108—1999），抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下式確定：

式中：k′—計算抗滑安全系數(shù)；f′—壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，根據(jù)規(guī)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(jù)規(guī)范取700kpa；A—壩基接觸面積，經(jīng)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(wěn)定算成果表

由表2 可知該重力壩的抗滑安全系數(shù)大于要求值，滿足規(guī)范設(shè)計要求。

5 基礎(chǔ)處理

壩基巖巖性為長石石英砂巖及泥巖、巖石風(fēng)化不深，物理力學(xué)指標(biāo)較高。基巖風(fēng)化不深，但其上部普遍較破碎，壩基應(yīng)開挖至弱風(fēng)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(xì)砂層亦有較強的透水性。因此壩基處理除清挖強風(fēng)化破碎層外，尚需在壩的上游壩踵處設(shè)置帷幕灌漿阻水防滲。

6 結(jié)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(jié)構(gòu)簡單，布置靈活，在樞紐布置上很好地結(jié)合了工程地形、地勢以及兩端的建筑物。該工程在抗滑穩(wěn)定性上也能很好地滿足規(guī)范設(shè)計要求，是一個比較成功的工程設(shè)計，可以為同類工程提供參考。

[1]SL5108—1999，混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范[S].中國水利電力出版社.

[2]吳持恭.水利學(xué)（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(shè)計規(guī)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(xué)[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(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)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.