水利工程大坝结构设计的要点

2020-09-27董秀斌水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院

珠江水运 2020年17期

董秀斌水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院

混凝土面板堆石坝能够有效的适应地形与地质条件，满足当地的地形使用需要，施工方便快捷、成本低、工期短、抗震性能也非常好，所以将其作为大坝的主要形式有着非常高的优势，面板堆石坝也取得非常高的成就。水利工程建设完成后达到预期寿命，如果存在开裂、破坏等问题，主要是由于设计、质量缺陷、监测不到位等因素，所以应该积极的开展大坝结果设计工作，并且做好随时监测与控制，以确保大坝可以安全、稳定的运行，满足水利工程的使用需要，给当地的农业高速发展奠定坚实的基础。

1.工程简介

某水利枢纽工程项目处于江西省某干流上，坝址上的流域面积2970km2，多年平均年径流量12.08亿m3，总库容为2.105亿m3，电站装机为60MW，工程等别为Ⅱ等。

该工程采取的是混凝土结构形式，主要组成结构就是堆石坝、泄洪洞、溢洪道等等，还有一些电站厂房等建筑结构部分。大坝是混凝土堆石坝的结构形式，坝顶长270m，坝顶高程547.40m，防浪墙顶高程548.40m，坝顶宽6m，最大坝高56.60m，上游坝坡1∶1.4，下游坝坡1∶1.3。混凝土面板厚度0.3～0.5m，址板厚0.8m。

图1 一种大坝的坝体结构

经过现场环境的综合分析，该坝在运行中，单日环境中温差比较差，孔隙内水结冰比较充分，冻融循环的数量是比较多的，面板能够保证较高的强度、防渗性与耐久性的要求，并且对于柔性与嵌缝材料、止水带等结构部分要求比较高，因此，面板、趾板等结构部分的材料要求较高，且结构设计应该达到规范化的标准要求，从而可以提升整体结构形式。

2.坝体设计选料要求

2.1 面板混凝土原材料及性能指标

因为面板混凝土的耐久性会直接影响面板使用寿命，在长期受到日晒雨淋、冻融、冲刷、疲劳以及各种腐蚀方面因素的影响，导致其结构出现损坏，但是也不会像其他的混凝土结构似的能够在短期内反应出来，一旦出现损坏就是比较严重的，因此，应该选择最佳的混凝土施工原材料，要确保其耐久性，延长使用寿命。

本次工程实践中，所应用的混凝土材料需要严格控制，在保证其强度达到要求的基础条件之下，还能够适当的选择抗渗抗冻标号的水泥，确保含气量合格，达到抗冻标准。

和同期工程对比分析，进行了工程试验，主要是结合实际需要来进行混凝土强度、水灰比等参数进行分析与调整。

经过材料的使用量与指标详细分析，确保在施工中面板混凝土性能可以符合二级配R250S8D250的要求，就能够达到工程标准。

2.2 止水系统材料

面板接缝的形式是周边缝、伸缩缝两种，其中周边缝主要就是趾板和面板位置上存在的，而伸缩缝则主要是在防浪墙、面板位置上设置的。从当地的气候环境因素展开分析，整个坝区所处的环境中，温差变化是非常大的，所以在工程的实践中应该进行柔性嵌缝材料、橡胶止水带等严格控制，必须要确保柔性嵌缝材料在温度达到60℃时也不会出现流淌的问题，低温-45℃时不会发生脆裂的问题，变形率大于40%，渗透系数小于i×10-8cm/s等。

3.结构设计

3.1 坝体分区及坝料设计

按照本次工程中的筑坝材料性质与面板坝的工作环境进行分析，混凝土面板下部坝体主要的组成结构部分就是垫层区、过渡层区、主堆石区、次堆石区等，周边缝下游位置上并未设置特殊垫层小区。

垫层区最为明显的就是通过混凝土面板制作具备一定均匀性、稳定性的压缩性结构，且能够达到稳定性标准，可以使用到严寒地带中的垫层透水方面，最大粒径控制在8cm以下，小于0.5cm的含量为25%～40%，小于0.01cm的含量不大于5%，连续级配料，Cu>20，渗透系数K=i×10-3cm/s。施工环节中可以通过垫层材料与过渡材料铺设完成进行碾压施工，两个坝区中的材料应该同时碾压施工，能够保证其达到均匀、稳定的标准，还能够节约材料，降低成本。

主堆石区是整个坝区的主体结构，石料质量、目的、沉降量尺寸等都会给其安全性产生直接影响，所以在设计中应该确定硬度较高、级配良好的材料，粒径应该控制在60cm以下，小于0.5cm的含量不超过20%，小于0.01cm的含量不大于5%，连续级配料，Cu>15，次堆石区的作用就是来进行逐堆石区的保护，以确保其稳定性合格。主堆石区和下游堆石区如果有比较严重的不均匀变形问题，会导致给面板产生较大的拉应力，导致面板裂缝的问题，所以本次工程中进行主堆石与下游堆石区界限组合成为自坝。

本次工程主要采取的是堆石坝改善结构形式，能够保证上下游堆石体结构部分模量降低，可以促进坝体堆石碾压顺利进行，可以促进施工顺利进行，但是要防止在冬季施工。垫层区达到渗透稳定标准，严寒地带需要应用垫层透水层形式，切实提升坝体结构性能达标。

3.2 混凝土面板、趾板及止水设计

从多数观测材料分析发现，水荷载影响之下，面板直接处于受压的条件下，只是在坝顶与近岸的位置上存在拉应力的影响。面板应变堆石体变形和特性存在直接的关系，而厚度并不是决定因素。本次工程中混凝土面板厚度通过应用连续截面的形式，厚度处于0.3-0.5m之间。面板伸缩缝部分主要是设计为纵缝的形式，并未有永久水平缝部分，面板垂直面部设置有单层双向钢筋12m，两岸垂直缝间距为6m，面板最大板块斜长91.05m。面板中部位置上布置有单层双向钢筋，能够适当的增加钢筋配置的比例，同时提升现浇质量水平，防止出现早冻的情况。

趾板是通过灌浆帷幕为主体结构部分的地下防渗部分和地上防渗部分连接起来，这是上下部分连接的防渗结构形式。通过采取平趾板的结构，厚度设定为0.8m。趾板线是通过地面和趾板下游面交线来进行控制。该工程中，趾板宽度的设定应该根据风化、破碎等问题来合理的设定，保证渗透比和基础结构部分都能够达到要求，趾板最大宽度6.0m，最小宽度4.0m，间隔12m要布置伸缩缝。为了能够确保趾板和基岩连接的稳定性合格，采取锚杆锚固方式，根据以往的成功经验分析，在趾板内设置φ28锚筋，插入岩石深度3.5m，每1.2m2布置一根。

周边缝在工作中需要承载比较大的三向变位与水压力，容易因为失水而出现渗漏的问题。堆石体沉降会造成面板出现变形的情况，面板与趾板会出现相对较大的位移，这是结构性能最差的部分。周边缝可以选择柔性连接的方式，但是需要性能达到技术标准。接缝的位置上还需要布置有连接橡胶管的结构，从而可以在接缝出现张开变形的条件下，橡胶管能够直接压入到接缝中，柔性材料也就能够压入进去可以提升其密封性。

冰的挤压和冻胀会给面板缝的止水与混凝土表面产生损坏的问题，如果大坝面板表面止水膨胀螺栓直接裸露在空气中，经过冬季环境的影响，螺栓就会直接拔起，导致止水结构受到影响。因此，需要改进表面止水与面板的连接方式，可以通过使用平滑的连接方式，以提升该结构的综合性能。