水利工程大壩結構設計的要點

董秀斌 水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院

混凝土面板堆石壩能夠有效的適應地形與地質條件，滿足當地的地形使用需要，施工方便快捷、成本低、工期短、抗震性能也非常好，所以將其作為大壩的主要形式有著非常高的優勢，面板堆石壩也取得非常高的成就。水利工程建設完成后達到預期壽命，如果存在開裂、破壞等問題，主要是由于設計、質量缺陷、監測不到位等因素，所以應該積極的開展大壩結果設計工作，并且做好隨時監測與控制，以確保大壩可以安全、穩定的運行，滿足水利工程的使用需要，給當地的農業高速發展奠定堅實的基礎。

1.工程簡介

某水利樞紐工程項目處于江西省某干流上，壩址上的流域面積2970km2，多年平均年徑流量12.08億m3，總庫容為2.105億m3，電站裝機為60MW，工程等別為Ⅱ等。

該工程采取的是混凝土結構形式，主要組成結構就是堆石壩、泄洪洞、溢洪道等等，還有一些電站廠房等建筑結構部分。大壩是混凝土堆石壩的結構形式，壩頂長270m，壩頂高程547.40m，防浪墻頂高程548.40m，壩頂寬6m，最大壩高56.60m，上游壩坡1∶1.4，下游壩坡1∶1.3。混凝土面板厚度0.3～0.5m，址板厚0.8m。

圖1 一種大壩的壩體結構

經過現場環境的綜合分析，該壩在運行中，單日環境中溫差比較差，孔隙內水結冰比較充分，凍融循環的數量是比較多的，面板能夠保證較高的強度、防滲性與耐久性的要求，并且對于柔性與嵌縫材料、止水帶等結構部分要求比較高，因此，面板、趾板等結構部分的材料要求較高，且結構設計應該達到規范化的標準要求，從而可以提升整體結構形式。

2.壩體設計選料要求

2.1 面板混凝土原材料及性能指標

因為面板混凝土的耐久性會直接影響面板使用壽命，在長期受到日曬雨淋、凍融、沖刷、疲勞以及各種腐蝕方面因素的影響，導致其結構出現損壞，但是也不會像其他的混凝土結構似的能夠在短期內反應出來，一旦出現損壞就是比較嚴重的，因此，應該選擇最佳的混凝土施工原材料，要確保其耐久性，延長使用壽命。

本次工程實踐中，所應用的混凝土材料需要嚴格控制，在保證其強度達到要求的基礎條件之下，還能夠適當的選擇抗滲抗凍標號的水泥，確保含氣量合格，達到抗凍標準。

和同期工程對比分析，進行了工程試驗，主要是結合實際需要來進行混凝土強度、水灰比等參數進行分析與調整。

經過材料的使用量與指標詳細分析，確保在施工中面板混凝土性能可以符合二級配R250S8D250的要求，就能夠達到工程標準。

2.2 止水系統材料

面板接縫的形式是周邊縫、伸縮縫兩種，其中周邊縫主要就是趾板和面板位置上存在的，而伸縮縫則主要是在防浪墻、面板位置上設置的。從當地的氣候環境因素展開分析，整個壩區所處的環境中，溫差變化是非常大的，所以在工程的實踐中應該進行柔性嵌縫材料、橡膠止水帶等嚴格控制，必須要確保柔性嵌縫材料在溫度達到60℃時也不會出現流淌的問題，低溫-45℃時不會發生脆裂的問題，變形率大于40%，滲透系數小于i×10-8cm/s等。

3.結構設計

3.1 壩體分區及壩料設計

按照本次工程中的筑壩材料性質與面板壩的工作環境進行分析，混凝土面板下部壩體主要的組成結構部分就是墊層區、過渡層區、主堆石區、次堆石區等，周邊縫下游位置上并未設置特殊墊層小區。

墊層區最為明顯的就是通過混凝土面板制作具備一定均勻性、穩定性的壓縮性結構，且能夠達到穩定性標準，可以使用到嚴寒地帶中的墊層透水方面，最大粒徑控制在8cm以下，小于0.5cm的含量為25%～40%，小于0.01cm的含量不大于5%，連續級配料，Cu>20，滲透系數K=i×10-3cm/s。施工環節中可以通過墊層材料與過渡材料鋪設完成進行碾壓施工，兩個壩區中的材料應該同時碾壓施工，能夠保證其達到均勻、穩定的標準，還能夠節約材料，降低成本。

主堆石區是整個壩區的主體結構，石料質量、目的、沉降量尺寸等都會給其安全性產生直接影響，所以在設計中應該確定硬度較高、級配良好的材料，粒徑應該控制在60cm以下，小于0.5cm的含量不超過20%，小于0.01cm的含量不大于5%，連續級配料，Cu>15，次堆石區的作用就是來進行逐堆石區的保護，以確保其穩定性合格。主堆石區和下游堆石區如果有比較嚴重的不均勻變形問題，會導致給面板產生較大的拉應力，導致面板裂縫的問題，所以本次工程中進行主堆石與下游堆石區界限組合成為自壩。

本次工程主要采取的是堆石壩改善結構形式，能夠保證上下游堆石體結構部分模量降低，可以促進壩體堆石碾壓順利進行，可以促進施工順利進行，但是要防止在冬季施工。墊層區達到滲透穩定標準，嚴寒地帶需要應用墊層透水層形式，切實提升壩體結構性能達標。

3.2 混凝土面板、趾板及止水設計

從多數觀測材料分析發現，水荷載影響之下，面板直接處于受壓的條件下，只是在壩頂與近岸的位置上存在拉應力的影響。面板應變堆石體變形和特性存在直接的關系，而厚度并不是決定因素。本次工程中混凝土面板厚度通過應用連續截面的形式，厚度處于0.3-0.5m之間。面板伸縮縫部分主要是設計為縱縫的形式，并未有永久水平縫部分，面板垂直面部設置有單層雙向鋼筋12m，兩岸垂直縫間距為6m，面板最大板塊斜長91.05m。面板中部位置上布置有單層雙向鋼筋，能夠適當的增加鋼筋配置的比例，同時提升現澆質量水平，防止出現早凍的情況。

趾板是通過灌漿帷幕為主體結構部分的地下防滲部分和地上防滲部分連接起來，這是上下部分連接的防滲結構形式。通過采取平趾板的結構，厚度設定為0.8m。趾板線是通過地面和趾板下游面交線來進行控制。該工程中，趾板寬度的設定應該根據風化、破碎等問題來合理的設定，保證滲透比和基礎結構部分都能夠達到要求，趾板最大寬度6.0m，最小寬度4.0m，間隔12m要布置伸縮縫。為了能夠確保趾板和基巖連接的穩定性合格，采取錨桿錨固方式，根據以往的成功經驗分析，在趾板內設置φ28錨筋，插入巖石深度3.5m，每1.2m2布置一根。

周邊縫在工作中需要承載比較大的三向變位與水壓力，容易因為失水而出現滲漏的問題。堆石體沉降會造成面板出現變形的情況，面板與趾板會出現相對較大的位移，這是結構性能最差的部分。周邊縫可以選擇柔性連接的方式，但是需要性能達到技術標準。接縫的位置上還需要布置有連接橡膠管的結構，從而可以在接縫出現張開變形的條件下，橡膠管能夠直接壓入到接縫中，柔性材料也就能夠壓入進去可以提升其密封性。

冰的擠壓和凍脹會給面板縫的止水與混凝土表面產生損壞的問題，如果大壩面板表面止水膨脹螺栓直接裸露在空氣中，經過冬季環境的影響，螺栓就會直接拔起，導致止水結構受到影響。因此，需要改進表面止水與面板的連接方式，可以通過使用平滑的連接方式，以提升該結構的綜合性能。

4.結語

經過試驗與經驗總結，本次混凝土面板堆石壩按照傳統理念設計，并且根據當地的氣候環境等因素進行了必要的改進，以提升大壩的性能，能夠滿足極端天氣的使用要求。經過長達多年的運行監測，本次大壩經歷了幾個嚴冬的考驗，無論是沉降、位移、滲流等多個因素分析，總體運行狀況較好。