水利工程的混凝土重力壩設計探微

努爾古麗

【摘要】水利工程中重力壩是常見的建筑，重力壩承受較大的荷載，對地基的要求較高，它對地基的要求介于拱壩和土石壩之間。除少數較低的重力壩可建在土基上之外，一般須建在巖基上。但是天然基巖由于受長期地質構造運動及外界因素的影響，風化、節理、裂隙、破碎等問題會經常出現，對基巖的整體性和均勻性在不同程度會有所破壞，會一定程度上降低基巖的強度和抗滲性。所以只有對地基進行適當的處理，才能對重力壩的安全性和持久性有所保障。

【關鍵詞】水利工程；混凝土重力壩；設計

1、工程概述

某水電站位于某省境內的某江中游河段上，是某江中游河段規劃梯級電站的第六級。樞紐區位于某縣中江鄉境內。電站地理位置適中，距某縣縣城公路里程約120km，現有簡易公路可達壩址區右岸，對外交通較為便利。

2、工程地質條件

大壩基坑采用爆破施工，揭露大壩壩基地層為礫巖（K12）（硬巖），基坑持力層巖性為基本水平稍向西（右岸）傾斜的礫巖夾砂礫巖，同時根據現場風鉆孔確定該層厚度從1.8m到0.6m不等，其下臥層為深厚砂巖（K12）（軟巖），現場情況與原初步設計地質資料提供的壩基持力層為8m厚水平礫巖（硬巖）相比在出露高程與厚度方面均發生變化。根據地質補充勘察，壩基紅砂巖透水率等物理力學指標與初步設計階段變化較大。其礫巖物理力學指標：f′=0.8，c′=0.7，變形模量Eδ0=6.0GPa；砂巖物理力學指標：f′=0.5，c′=0.3，變形模量Eδ0=1.0GPa。由于大壩持力層變為第④層紅砂巖，砂巖巖體承載力較礫巖有所降低，且由于施工開挖后巖體卸荷作用下對壩基巖體向上抬動，巖體中存在透水夾層，根據施工地質補勘壓水試驗成果，在勘探深度內，巖體透水率4.7Lu～91.57Lu，平均為22.72Lu，屬中等透水性。

3、混凝土重力壩設計的思路

3.1 重力壩斷面設計

重力壩體的斷面一般是由穩定條件和應力條件來決定，斷面的施工及設計的控制標準均嚴格執行《混凝土重力壩設計規范（SL319—2005）》中的有關規定。重力壩的斷面可分為溢流壩段和非溢流壩段。非溢流壩段斷面的形狀是三角形，三角形的頂點大概在壩頂。非溢流壩段壩體的上游面可以分為鉛直面、折面和斜面。重力壩的上游面壩坡的比例一般是1：0到1：0.2之間，按照穩定要求以及應力要求，同時下游面坡面一般由上游面坡面決定，下游坡的比例經常是1：0.6到1：0.8之間。鑒于重力壩的斷面一般較大，所以需要的混凝土的量也會比較大，因此選擇一個工程量少而且安全性上又能達標的方案也是混凝土重力壩設計中的關鍵問題。溢流段壩面設計。溢流段的堰面為曲線，并且溢流孔被設置成了開敞式，使用下式對壩面進行計算。

在上式中有：Hd為堰面曲線的定型設計水頭，它可以按照規定可承受壓力的大小即堰頂能承受的最大作用水頭Hmax的75%到95%來進行計算。n為和上游面堰坡相關的指數，可以由表1得到。當P1/Hd大于1.0時，K的值也可以從表1中得到，當P1/Hd小于1.0時，則k大約在2.0到2.2之間，其中P1是上游面的相對堰高。

3.2 泄水孔和相關消能設施設計

重力壩的泄水孔通常可以使用明流孔亦或是有壓孔，泄水孔通常建在溢流壩段的下面，有時也會設計用來專門建泄水孔的壩段，同時也會設計用來消能的設施。泄水孔的泄流能力計算使用下式。

其中：Q為水的流量。Ak水流出口處的面積。Hw為水流自由流出時，泄流孔孔口中心位置的作用水頭。μ為泄流孔孔口或者是管道流量的相關系數，對于那些設有胸墻的堰頂高孔有，當Hw/D等于2.0到2.4之間的時候，μ的值在0.74到0.82之間，否則，如果是短有壓深孔，則μ的值在0.83到0.93之間。而是長有壓深孔的時候，μ一定要在計算沿程和局部的水頭損失后才能確定。其中D為孔口的高度。通常，溢流壩消能工程中用得比較多的工程型式有四種，這四種分別是底流消能、消力戽消能、面流消能和挑流消能，然而這四種消能方式都有自己的優點和缺點。底流消能的工程量一般比較大，面流消能、消力戽消能和挑流消能的工作量則都比較小，這四個消能方式中挑流消能相對于下流的沖涮力非常大，而且在消能的過程中會產生很多的霧氣，從而影響到壩區的正常運行，所以挑流消能經常被用在基巖較好和基巖較好的重力壩修筑工程上。

3.3 壩基的固結灌漿

按照壩基工程的地質條件、灌漿試驗資料以及壩高等依據，得到壩基的固結灌漿的范圍。固結灌漿排距和孔距大致可以是3米到4米之間的數值，深度是5米到8米之間的數值，方法是采用梅花型的布置。另外，灌漿孔的方向是由主要裂隙的情況以及現場的施工條件來決定，同時灌漿的壓力在不挪動基礎巖體以及蓋重混凝土的情況下，應該盡量的提高。

4、結論

我國對基礎設施建設的投入在逐年的加大，而水利工程是一個國家最根本的基礎設施，這一條件讓水利工程成為了基礎設施建設投入的重點工作之一。混凝土重力壩設計是水利工程建設的重點，混凝土重力壩的設計不僅關系到國家水利工程的建設，同時還關系到混凝土重力壩工程施工時的安全性。關于混凝土重力壩的設計，現在還存在很多的問題。怎樣制定合理的消能形式，壩體裂縫的修復等等，這些問題都還沒有得到有效的解決，也都有待我們做進一步的研究和探討。這篇文章對混凝土重力壩設計的探究，只作同行的參考。相信未來，混凝土重力壩的設計會有更多的創新和突破。

參考文獻：

[1]段小波.混凝土重力壩抗震優化設計[D].河海大學，2014.

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