试论水利水电工程中建筑设计探讨

2013-08-19韦光林安顺市水利水电勘测设计院

河南水利与南水北调 2013年2期

□韦光林（安顺市水利水电勘测设计院）

1.工程实例概述

1.1 工程简介

本工程水库枢纽由主坝、电站及泄水底孔等组成，水库主要任务是调节水量，供当地工农业及城市人民生活用水，结合引水发电，并兼顾防洪要求，尽可能使其工程提前竣工获得收益，尽早建成。根据水库的工程规模及其在国民经济中的作用，枢纽定为一等工程，主坝为I 级建筑物，其它建筑物按II 级建筑物考虑。工程紧靠公路，与铁路线相距约1km，交通便利，不需另外修建对外临时施工道路。河谷地形见图1。

1.2 水文气象

年径流：河水水量较充沛，河站多年平均年径流量为24.5亿m3占全流域的53%，年内分配很不均匀，主要集中在汛期7、8月份。丰水年时占全年50%～60%，枯水年占30%～40%，而且年际变化也很大。

洪水：多发生在7月下旬至8月上旬，有峰高量大涨落迅速的特点，据调查近一百年来有6 次大水，最大一次的洪峰流量约为24400～27400m3/s。

图1 河谷地形图

泥沙：本流域泥沙颗粒较粗，中值粒径0.0375mm，全年泥沙大部分来自汛期7、8月份，主要产于一次或几次洪峰内且年际变化很大，由计算得，多年平均悬移质输沙量为1825 万t 多年平均含沙量7.45kg/m3。推移质缺乏观测资料。可计入前者的10%，这样总入库沙量为2010 万t。淤砂浮容重为0.9t/m3，内摩擦角为12°。淤砂高程157.5m。

1.3 地质条件

工程所在区域的主要地质分为三层：第一层为淤泥质亚粘土，分布标高为-6.04～-9.27m，厚度约1.3～2.8m 不等，该层上部覆盖厚约0.6m 粗砂，呈松散状，灰褐色。第二层为圆砾，褐黄色，混有不均匀粗砾砂，呈中密状，分布标高为-7.54～-12.94m，厚度约2.8～3.7m 不等。第三层为风化岩，褐黄夹杂色，原岩结构明显，长石几乎风化成土，石英呈砂粒，属强风化花岗岩，分布标高自-10.14～-12.94m。

2.水利水电工程建筑设计的要点

2.1 建筑物分级

永久性建筑物系指工程运行期间使用的建筑物，根据其重要性分为：主要建筑物—系指失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物，如堤坝、水闸、电站厂房及泵站等。次要建筑物—系指失事后不致造成下游灾害或对工程效益影响不大建筑物，如挡土墙、导流墙及护岸等。临时性建筑物系指工程施工期间使用的建筑物，如导流建筑物、施工围堰等。见表1。

表1 水利水电工程建筑物分级表

对二至五等的工程和临时工程，遇到下列情况时，可适当提高或降低其建筑物的级别：工程位置特别重要，失事后可能造成重大灾害者，可提高一级；当水工建筑物的地质条件特别复杂，或采用实践经验较少的新型结构时，可提高一级；临时性的水工建筑物一旦失事将造成严重灾害或对工程有严重影响时，可提高一至二级；失事后影响不大的工程，经论证后可降低级别。

2.2 建筑物上的作用

2.2.1 自重

主要包括建筑物自重和建筑物上设备的自重。G=ΣVγ。

2.2.2 水作用

2.2.2.1 静水压力：随上、下游水位的高低而定

静水压强p=γh（kPa）

式中：h—水面以下的深度，m;γ—水的容重，一般取9.81 kN/m3。

静水压力P，在水深H 处，单位宽度上水平静水压力为：PH=γH2/2（kN），竖向水压力为：PV=γH2ctgα/2（kN）。

2.2.2.2 动水压力：当水流流经曲面时，由于流向的改变，在曲面上产生动水压力

式中：PH、PV—总动水压力的水平和铅直分量（kN）；α1、α2—反弧最低点两侧弧段所对的中心角（°）；q—单宽流量，（m3/s.m）；g—重力加速度（m/s2）；V—水的流速，（m/s）。

2.2.2.3 渗透水扬压力

对于坝基或坝体的水平截面，由于水渗入坝基或坝体而产生的向上孔隙水压力，称为扬压力。扬压力的组成有两部分：浮托力。当质点处于上、下游水位以下时，存在该力，其大小与该质点相对于下游水位的深度有关。渗透水压力。由上、下游水位差产生，与该点相对于上游水位的位置有关。

2.2.3 土压力及泥沙压力

式中：Ps—坝面每米宽度上的水平泥沙压力，kN/m；γsb—淤沙的浮容重，kN/m3；hs—坝段前泥沙淤积厚度，m；φs—淤沙的内摩擦角。

2.2.4 冰压力和冰冻作用

2.2.4.1 静冰压力

当水库表面积冰时，随着气温升高，冰层膨胀而对建筑物产生的压力，称为静冰压力。作用点为：冰面以下1/3 冰厚处。静冰压力的大小与冰层厚度、开始升温时的气温、温升率等因素有关，通常可按表2确定：（对小型水库，冰压力值应乘以0.87，对大型平原水库应乘以1.25。）

表2 静冰压力表

2.2.4.2 动冰压力

在上述干扰场景和干扰参数下，采用四相位等分分段多相位分段调制干扰，相位值按照从小到大的顺序进行调制，与间歇采样重复转发干扰进行以下3组仿真对比实验，各实验进行100次蒙特卡洛仿真，各组MTD结果取蒙特卡洛仿真结果均值的最大值对应的距离和速度作为目标信息。

冰块破碎后，由于飘流而撞击坝体产生的作用力为动冰压力。动冰压力对于胸墙、闸墩、低坝等有较大危害。当冰块运动方向大体垂直于坝面时，动冰压力可按下式计算：

式中：Pb—动冰压力（kN）；Kb—系数，由流冰抗压强度决定，Kb=2.36～4.3；Vb—流冰速度，m/s；db—流冰厚度，m；Ab—冰块面积，m2。

2.2.5 温度作用

随着气温的变化，建筑物结构产生的各种应力、应变、位移等，均为温度作用效应，其中以混凝土和钢筋混凝土结构最为明显。

对建筑物外界气温的年周期变化过程，可用下式描述：

式中：Ta—多年月平均气温，℃；Tam—多年年平均气温，℃；Aa—多年平均气温变幅，℃；ω—圆频率，ω=2π/12；τ—时间变量，月；τ0—初始相位，纬度>30 度时为6、5月，纬度<30 度时为6、7月。

而水库坝前水温的年过程线可用下式表示：

式中：Twm（y，τ）—水深y 米处τ 时刻的多年月平均水温；Twm（y）—水深y 米处的多年年平均水温；Aw（y）—水深y 米处多年平均水温年变幅；ε（y）—水深y 米处的水温与气温年变化间的相位差。

3.水利水电工程建筑设计的主要内容

3.1 水库枢纽建筑物

根据水库枢纽的任务，该枢纽组成建筑物包括：拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞（拟利用导流洞作放空洞）、筏道。

3.1.1 泄水建筑物土石坝最适合采用岸边溢洪道进行泄洪。在坝轴线下游300m 处的两岸河谷呈马鞍型，右岸有垭口，布置正槽式溢洪道。采用正槽式溢洪道可以节省土石方开挖量，若布置在基岩上，可以节省混凝土衬砌工程量，并有利于工程安全。由于正槽式溢洪道全部是开敞的，正向进流，水流平顺，泄洪能力大，结构比较简单，运行安全可靠，便于施工，管理和维修。

3.1.2 灌溉引水建筑物

由于主要灌区位于河流右岸，但右岸坝区破碎深达60m 的钻孔岩芯获得率仅为20%，岩石裂隙十分发育，可以考虑采用适当的地基处理，将溢洪道布置在右岸。

3.1.3 水电站建筑物

由于土石坝不宜采用坝式和坝后式厂房，而宜采用岸边引水式厂房，采用单元供水式引水发电较为合理。

3.2 坝与地基两岸的连接及处理

对于坝址两岸上的黄土若有条件可以全部挖除，因为黄土的主要特点是浸水后沉降较大，所以经过论证后可以采用预先浸水法，由于其岩石裂隙较为发育，所以应进行灌浆处理。其坝基处的岩层需要进行帷幕灌浆，两岸的岩层可以先挖除表面风化岩层，然后可以进行打锚杆或固结灌浆的方式进行加固处理。左岸的粘土可以全部挖除，与经过处理的黄土可以作为筑坝原材料，处理方法采用预先浸水法，然后进行灌浆处理。坝体与岸坡的连接，坝肩结合面范围内的所有腐殖土层、树根、草根，均需要彻底清除。岸坡应削成平顺的斜面，左右岸岸坡均按设计值放坡。