混凝土重力壩斷面優化設計

賈 杰

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 401121)

0 引 言

近年來在我國水利工程建設施工過程中，為提高壩體工程的整體施工效果，爭取效益達到最大化，越來越多的工程項目將重力壩作為重要的施工方法?；炷劣捎谄涓呙芏扰c高強度，再加上成本低廉，所以成為最理想的建筑材料，被廣泛應用于各大重力壩建設中，利用其自身的重力和強度來抵擋上游湍急的水流的壓力以及承載其他外部載荷。當前，世界各國修建的規模比較大的水利工程，只要在寬闊型河谷上，大多采用的都是軸線為直線的碾壓式混凝土重力壩，斷面也比較簡單，這種設計結構大大加快了施工效率，縮短了施工工期[1]。此外，重力壩的作用當然不單單用于阻擋流水，更關鍵的作用是要在特殊時期能夠有效溢流排洪，因此需要在壩體中預留泄洪孔洞，這對重力壩的結構設計要求相當之高，水利壩體工程的穩定性問題也成為目前嚴重影響壩體安全施工和運行的關鍵問題。

1 混凝土重力壩的建設現狀

對現有混凝土重力壩進行大量研究和分析發現，在對大壩進行修建的過程中，如果提前在上游面布置專業的防滲水結構，不用混凝土本身在額外承擔防滲透的功能，在大壩投入時候之后，混凝土大多都不會被浸濕，大大提高了大壩的使用功能性和壽命，也為水利工程自身功能的發揮提供了更強大的基礎保障。而正是基于該發現，在大型水利工程的構建過程中，各國紛紛開始加強對混凝土重力壩的應用，同時，也開始大力發展碾壓混凝土大壩的施工技術。而我國，近些年來大型水利工程的大壩也大多采用的是碾壓混凝土重力壩，經過多年的發展，不僅技術越來越成熟，也為推動我國水利工程的發展提供了強大推動力。只不過，相對于國外發達國家而言，我國在混凝土重力壩的施工建設以及相關技術上依舊存在一定差距，因此，我國在不斷加強對自身技術進行研究的同時，也需要加強對國外發達國家的成熟經驗以及先進技術的參考和借鑒，總結出最適合我國施工情況的施工技術。

2 重力壩斷面設計

2.1 對斷面和作用荷載進行精簡

在簡化過程中，主要考慮荷載自重、壩底的揚壓力以及齊頂靜水壓力三大作用力。

通常情況下，在對斷面進行簡化的過程中，需要重點考慮荷載自重、壩底的揚壓力和齊頂靜水壓力，如圖1所示為重力壩簡化三角形斷面。

假定揚壓力分布詳細如圖1所示：

圖1 重力壩斷面設計

通過圖中各項數據，可以對壩體、壩踵以及壩址的應力進行計算，其公式分別如下所示：

(1)

2.2 地剖面分析

為了滿足對應力的控制，應滿足如下條件：

(2)

為確保公式成立，λ的取值范圍應該為(a，b)，則可以得出如下公式：

(3)

當B為最小值的時候，根據計算，可得到關系曲線圖(B/H與λ)，如圖2所示：

圖2 底寬B 與λ 的關系曲線

通過該關系曲線圖以及計算方式，可對重力壩面進行計算和設計，比如,當α=0時，重力壩斷面就是上游面倒懸。

2.3 滿足穩定條件的重力壩剖面

重力壩要同時符合無拉應力準則和穩定性要求，否則，在對其進行設計和施工的過程中，就無法滿足其具體要求，影響其施工效率和最終質量，進而限制了整個水利工程綜合功能的發揮。文章中，穩定控制條件為抗剪公式，可以得出滿足條件的抗滑B值公式：

(3)

在該式中，[K]為抗滑穩定安全系數，其與荷載工況和工程規模有關。

B/H 的取值范圍隨λ變化情況如圖3所示，剛好滿足穩定條件，即K=[K]；曲線在上方的范圍K>[K]。

圖3 底寬B與λ的關系曲線

2.4 滿足應力與穩定兩大條件的合理斷面

大壩斷面設計符合以上公式的情況下，對公式進行推導可得出以下公式：

(4)

在該公式中，針對不同f值，所得出的B/H-λ關系曲線，其具體如圖4所示，而滿足條件的B 值的取值范圍位于兩條曲線的上方，交點為λ1。

圖4 滿足強度條件和穩定條件的B與λ的曲線(f1

當λ1<λ0，交點位于λ0的左邊，最優斷面在λ1=λ0處取得，帶入式中可以推導出：

(5)

當b>λ1>λ0時，交點位于λ0的右邊，最優斷面取于λ=λ1處。當λ1≥b時，在[λ0,b]區間中，應力曲線應該自抗滑曲線的下方，而在重力壩的施工中，七、其抗滑條件會直接對壩底的具體施工寬度造成影響，另外，由于整個抗滑曲線呈下降趨勢，因此，在λ=b處，B能夠取得最小值。

(6)

f值直接關系到斷面形狀，其取值范圍0.5-0.8，對最優斷面的影響分析如下表1所示。

在對斷面進行設計時，應該應用無拉應力和抗滑穩定原則，并以表1作為主要參考數據，對基巖條件、上游壩坡等影響因素進行詳細分析，采用最優斷面設計方案，確保施工質量。除此之外，由于我國國土遼闊，地勢眾多，很多大型水利工程的施工條件和環境并不限相同，其可能對重力壩的施工具有一些特殊性的要求，而在其具體施工中，就需要將其考慮其中。

表1 最優剖面與上游直立剖面比較分析

3 重力壩斷面設計優化實例

如圖4所示為某地混凝土重力壩非溢流斷面，高110m，計算水位高95m，泥沙高程30m，下游尾水位高程5m。

3.1 重力壩原始設計方案

壩頂高程110m，上游面折坡54.05m，下游面折坡高程100m，上游坡比1∶0.12，下游坡比1∶0.76，摩擦系數為f=0.70,f’=1.45,C’=108.4。允許穩定安全系數[K]=1.10，[K’]=3.00，壩踵允許拉應力≤0。

3.2 原始方案滿足約束情況

混凝土方量原始方案中共計4734.64m3。壩踵處應力運用材料力學相關方法計算得出最小主壓力為6.82MPa。壩址處應力運用材料力學相關方法計算得出最小主壓應力為12.38MPa。穩定約束情況為K=1.331，K’=4.904。

圖5 重力壩原始設計斷面

3.3 優化設計方案滿足約束情況

經過材料力學法多次結構重分析進行直接搜索，滿足收斂準則，得出最優方案，見圖5。

圖6 優化后的重力壩斷面設計

運用材料力學法計算混凝土方量為3950.92m3。壩踵應力運用材料力學法計算得出為1.33MPa，壩址應力為18.3MPa。穩定約束K=1.101，K’=4.019。

3.4 優化方案分析

重力壩斷面經過科學的優化分析設計后，效果十分明顯，混凝土大大節省，節省量高達20%。優化后的斷面幾何約束中，上游坡比基本達到上限值1∶0.2，下游坡比也接近下限值1∶0.54；應力約束還有很小余量；穩定約束基本達到臨界。通常意義上看，重力壩的臨界約束就是穩定約束，這時材料力學法和有限單元法的計算結果相差無幾。當地基情況較為復雜時，應力約束條件將會起著關鍵性的控制作用[2]。本實例研究僅僅列出實體重力壩優化設計中的常見情況，但是混凝土重力壩設計的核心思想已經融合于其中，成果十分豐富，可以廣泛推廣。

4 結 語

隨著我國對基礎設施建設投入的不斷加大，水利工程建設也逐年得到發展，混凝土重力壩作為基礎設施建設中水利工程的重點建設研究項目，不僅關系到國家水利工程設計發展，還關系到我國大型建設項目的建設水平。因此，必須積極提升混凝土重力壩設計水平，嚴格控制工程施工時的安全性，使用的長久性。當然，我國混凝土重力壩與國外發達國家相比，還存在一定差距，但是如何通過提高自身技術水平，縮短差距，都有待我們進一步研究探討。

[1]楊晉營，高超.膠凝砂礫石壩壩坡比分析研究[J].水利與建筑工程學報，2017(01):83-89.

[2]王志坤，楊璐.基于附加質量的混凝土重力壩地震仿真分析[J].水利水運工程學報，2016(04):98-103.