水利工程的混凝土重力坝设计探微

努尔古丽

【摘要】水利工程中重力坝是常见的建筑，重力坝承受较大的荷载，对地基的要求较高，它对地基的要求介于拱坝和土石坝之间。除少数较低的重力坝可建在土基上之外，一般须建在岩基上。但是天然基岩由于受长期地质构造运动及外界因素的影响，风化、节理、裂隙、破碎等问题会经常出现，对基岩的整体性和均匀性在不同程度会有所破坏，会一定程度上降低基岩的强度和抗渗性。所以只有对地基进行适当的处理，才能对重力坝的安全性和持久性有所保障。

【关键词】水利工程；混凝土重力坝；设计

1、工程概述

某水电站位于某省境内的某江中游河段上，是某江中游河段规划梯级电站的第六级。枢纽区位于某县中江乡境内。电站地理位置适中，距某县县城公路里程约120km，现有简易公路可达坝址区右岸，对外交通较为便利。

2、工程地质条件

大坝基坑采用爆破施工，揭露大坝坝基地层为砾岩（K12）（硬岩），基坑持力层岩性为基本水平稍向西（右岸）倾斜的砾岩夹砂砾岩，同时根据现场风钻孔确定该层厚度从1.8m到0.6m不等，其下卧层为深厚砂岩（K12）（软岩），现场情况与原初步设计地质资料提供的坝基持力层为8m厚水平砾岩（硬岩）相比在出露高程与厚度方面均发生变化。根据地质补充勘察，坝基红砂岩透水率等物理力学指标与初步设计阶段变化较大。其砾岩物理力学指标：f′=0.8，c′=0.7，变形模量Eδ0=6.0GPa；砂岩物理力学指标：f′=0.5，c′=0.3，变形模量Eδ0=1.0GPa。由于大坝持力层变为第④层红砂岩，砂岩岩体承载力较砾岩有所降低，且由于施工开挖后岩体卸荷作用下对坝基岩体向上抬动，岩体中存在透水夹层，根据施工地质补勘压水试验成果，在勘探深度内，岩体透水率4.7Lu～91.57Lu，平均为22.72Lu，属中等透水性。

3、混凝土重力坝设计的思路

3.1 重力坝断面设计

重力坝体的断面一般是由稳定条件和应力条件来决定，断面的施工及设计的控制标准均严格执行《混凝土重力坝设计规范（SL319—2005）》中的有关规定。重力坝的断面可分为溢流坝段和非溢流坝段。非溢流坝段断面的形状是三角形，三角形的顶点大概在坝顶。非溢流坝段坝体的上游面可以分为铅直面、折面和斜面。重力坝的上游面坝坡的比例一般是1：0到1：0.2之间，按照稳定要求以及应力要求，同时下游面坡面一般由上游面坡面决定，下游坡的比例经常是1：0.6到1：0.8之间。鉴于重力坝的断面一般较大，所以需要的混凝土的量也会比较大，因此选择一个工程量少而且安全性上又能达标的方案也是混凝土重力坝设计中的关键问题。溢流段坝面设计。溢流段的堰面为曲线，并且溢流孔被设置成了开敞式，使用下式对坝面进行计算。

在上式中有：Hd为堰面曲线的定型设计水头，它可以按照规定可承受压力的大小即堰顶能承受的最大作用水头Hmax的75%到95%来进行计算。n为和上游面堰坡相关的指数，可以由表1得到。当P1/Hd大于1.0时，K的值也可以从表1中得到，当P1/Hd小于1.0时，则k大约在2.0到2.2之间，其中P1是上游面的相对堰高。

3.2 泄水孔和相关消能设施设计

重力坝的泄水孔通常可以使用明流孔亦或是有压孔，泄水孔通常建在溢流坝段的下面，有时也会设计用来专门建泄水孔的坝段，同时也会设计用来消能的设施。泄水孔的泄流能力计算使用下式。

其中：Q为水的流量。Ak水流出口处的面积。Hw为水流自由流出时，泄流孔孔口中心位置的作用水头。μ为泄流孔孔口或者是管道流量的相关系数，对于那些设有胸墙的堰顶高孔有，当Hw/D等于2.0到2.4之间的时候，μ的值在0.74到0.82之间，否则，如果是短有压深孔，则μ的值在0.83到0.93之间。而是长有压深孔的时候，μ一定要在计算沿程和局部的水头损失后才能确定。其中D为孔口的高度。通常，溢流坝消能工程中用得比较多的工程型式有四种，这四种分别是底流消能、消力戽消能、面流消能和挑流消能，然而这四种消能方式都有自己的优点和缺点。底流消能的工程量一般比较大，面流消能、消力戽消能和挑流消能的工作量则都比较小，这四个消能方式中挑流消能相对于下流的冲涮力非常大，而且在消能的过程中会产生很多的雾气，从而影响到坝区的正常运行，所以挑流消能经常被用在基岩较好和基岩较好的重力坝修筑工程上。

3.3 坝基的固结灌浆

按照坝基工程的地质条件、灌浆试验资料以及坝高等依据，得到坝基的固结灌浆的范围。固结灌浆排距和孔距大致可以是3米到4米之间的数值，深度是5米到8米之间的数值，方法是采用梅花型的布置。另外，灌浆孔的方向是由主要裂隙的情况以及现场的施工条件来决定，同时灌浆的压力在不挪动基础岩体以及盖重混凝土的情况下，应该尽量的提高。

4、结论

我国对基础设施建设的投入在逐年的加大，而水利工程是一个国家最根本的基础设施，这一条件让水利工程成为了基础设施建设投入的重点工作之一。混凝土重力坝设计是水利工程建设的重点，混凝土重力坝的设计不仅关系到国家水利工程的建设，同时还关系到混凝土重力坝工程施工时的安全性。关于混凝土重力坝的设计，现在还存在很多的问题。怎样制定合理的消能形式，坝体裂缝的修复等等，这些问题都还没有得到有效的解决，也都有待我們做进一步的研究和探讨。这篇文章对混凝土重力坝设计的探究，只作同行的参考。相信未来，混凝土重力坝的设计会有更多的创新和突破。

参考文献：

[1]段小波.混凝土重力坝抗震优化设计[D].河海大学，2014.

[2]孙恭尧.高碾压混凝土重力坝设计方法研究[J].水力发电，2014，08：10-11+19-79.