基于支墩坝和斜拉桥技术的斜拉坝模型

辛振科

(西安理工大学水利水电学院,西安 710048)

0 前 言

近年来，坝工技术朝着更安全、更经济、更美观、数字化和智能化的方向发展[1-2]。坝工技术取得了系列重大进展和突破，最大坝高已突破300 m，各种新坝型也是不断涌现，如胶结坝、自密实混凝土堆石坝、橡胶坝等。然而要建更高的大坝则存在较大的技术难题。沥青混凝土防渗体堆石坝被认为是将来最有可能的高坝[3]，但目前修建的最高沥青混凝土防渗体坝去学大坝坝高为173.2 m[4]。斜拉桥自1956年问世以来历经半个多世纪的发展，其理论和技术已较为成熟和完善。目前世界上建成的最大跨径的斜拉桥为俄罗斯岛大桥，主跨径为1 104 m，于2012年7月完工。国内的苏通长江大桥主跨1 088 m。重庆嘉陵江长江大桥为单索面斜拉桥中的经典。港珠澳跨海大桥采用了斜拉桥。沪苏通长江公铁大桥斜拉桥主跨为1 092 m，是世界首个跨度超过千米级的公铁两用桥。大坝与桥梁是两种不同的结构，高度为300 m级的大坝和跨度为1 000 m级的斜拉桥之间虽然可比性不高，但仍然存在一定的联系和差距。在学科交叉和技术融合的背景下，将斜拉桥技术运用到坝工技术当中是一大创新，然而，相关的研究文献资料却尚不多见。为了丰富坝型选择，促进坝工技术的发展，本文将单索面斜拉桥与支墩坝有机结合，对支墩坝进行优化，提出了斜拉坝模型，并对斜拉坝模型的历史来源、主要分类形式、温控、受力特性及其他优势和不足做了简要介绍。

1 斜拉坝的起源

支墩坝是为了节约混凝土工程量，由实体重力坝、空腹重力坝、宽缝重力坝再到支墩坝一步步优化发展而来。斜拉坝是对支墩坝的进一步改进优化。然而，随着科技的发展和生产力的提高，支墩坝对温度变化敏感，容易产生裂缝[5]；由于混凝土碳化、冻融和冲蚀等原因，支墩坝钢筋容易发生锈蚀；断面较薄，服役寿命较短[6]等问题逐渐凸显，目前工程较少采用支墩坝。支墩坝在某些方面的优势有可能超过现存的缺点，将继续成为可选的坝型之一，在特定的环境中重新焕发出活力。比如清华大学金峰教授团队推广的自密实混凝土堆石坝[7]在新坝的修建和旧坝加固上面均具有较大优势，自密实混凝土堆石坝由于采用了大量超大径石块，混凝土用量大量减小，温度应力对支墩坝的制约被大幅降低，支墩坝的优势逐渐凸显，斜拉坝作为支墩坝的升级优化版也因此具备了实际修建的可行性，可采用自密实混凝土修建斜拉坝立柱(支墩)，不仅降低了大体积混凝土温控对斜拉坝的制约，也可提高支墩的强度。具体来说，斜拉坝[8]是将支墩坝结构模型与斜拉桥结构模型进行结合，通过在支墩坝的支墩前设置拉索来提供拉力，防止大坝向后倾覆的一种新坝型。

2 斜拉坝的形式

斜拉坝主要由拉索、挡水面板、立柱、地基、锚杆、锚锭和防渗设施等组成。斜拉桥拉索的布置形式主要有扇型、辐射型、竖琴型3种；根据挡水面板的形式，支墩坝可分为平板支墩坝、大头支墩坝、连拱支墩坝3种。因此，根据拉索布置形式的不同，斜拉坝可分为：扇型拉索斜拉坝、辐射型拉索斜拉坝和竖琴型拉索斜拉坝3种，具体不同斜拉坝模型见图1。根据挡水结构的不同，斜拉坝可分为平板斜拉坝、大头斜拉坝和连拱斜拉坝3种。根据建坝材料的不同，斜拉坝可分为：钢筋混凝土斜拉坝和钢结构斜拉坝。根据坝体上游面与水平面夹角的不同，斜拉坝可分为：前倾式斜拉坝(坝前坝面与水平面的夹角<90°)、竖直式斜拉坝(坝前坝面与水平面的夹角=90°)、后仰式斜拉坝(坝前坝面与水平面的夹角>90°)。

图1 斜拉坝模型图

3 斜拉坝的特点

斜拉坝两岸坝肩处可设计成重力坝形式，利用重力坝段起立柱的作用来支撑挡水面板，并与岸坡基岩牢牢锚固连接，同时该重力坝段临近河道的一面应有一定的坡度，该坡度应与岸坡坡度相近，以防止岸坡由于该重力坝段影响而失稳。枢纽布置可根据支墩坝和拱坝这类轻型大坝进行，具体的斜拉坝坝型选择应根据实际工程情况进行。

斜拉坝各部件作用明确，受力分析简单。水压力作用在面板上，通过面板将力传递给立柱，立柱再通过拉索将大部分力传递给坝前地基。面板简支在立柱上，在单位高度上可按照简支梁分析。立柱与地基固结，视为悬臂梁分析。拉索为杆单元，用锚锭铰接在立柱和地基之间，拉索只承受拉力，不承受压力。斜拉坝属于超静定结构，超载能力强。

采用拉索替代大部分支墩的体积，会使得支墩刚度减小，自振周期增大，因此支墩的建筑材料宜选用更高强度的混凝土和钢材。支墩坝水压力主要由支墩承担；而斜拉坝水压力主要由拉索承担，支墩只承受少部分水压力，支墩上下游的坡比应根据支墩承担水压力占比的多少以及支墩的强度和刚度并通过理论计算、模型试验或者有限元分析等手段来确定。拉索索力的理论计算方法主要有频率法、垂度法、磁通量法、压力表测试法、有限元分析法和模型预测法等，其中频率法的理论计算方法[9]如下所示。公式推导的力学模型如图2所示。

图2 斜拉索力学模型图

斜拉索横向振动的平衡微分方程为：

(1)

式中：K1、K3为斜拉索两端横向约束支撑刚度，N/m；K2、K4为斜拉索两端横向转动约束刚度，N/m；EI为斜拉索抗弯刚度，N/m；m为斜拉索线密度，kg/m；T为斜拉索张力，N；L为斜拉索计算长度，m；t为时间，s。

由斜拉索振动微分方程，假定斜拉索两端为简支边界条件下求得的工程常用索力计算公式为：

(2)

式中：fn为斜拉索n阶振动频率，Hz。

斜拉坝是一种轻型坝,斜拉坝坝体单薄，坝底扬压力较小，有利于坝体稳定。地基中绕过面板底面的渗流，渗透途径短，水力坡降大，单位岩体承受的渗流体积力也大，要求面板与地基的连接以及防渗帷幕都必须做得十分可靠。面板和支墩的厚度小，施工期混凝土散热条件好，但对温度变化很敏感，特别是作为整体结构的斜拉连拱坝，对温度变化的反应更为灵敏，所以混凝土斜拉坝宜修建在气候温和地区，在施工期应注意采取保温措施。

斜拉坝各坝段独立作用、可适应地基的不均匀沉降、可根据河床地质条件，选择立柱的位置。同一工程中相邻两个挡水面板的宽度可取不同，但不宜相差太大，立柱两侧牛腿受到的力大小不同，会对立柱产生较大的扭转作用。根据实际工程情况、对斜拉坝坝轴线进行优化设计、成直线或折线形式。同一工程中可采用多种斜拉坝形式。

斜拉坝模型不仅可以挡水，还可以挡土，可以尝试用于河道护岸治理、港口码头建设以及边坡基坑支护等。斜拉坝模型挡土时与斜拉板桩码头[10]模型虽有点相似，但不完全相同。斜拉板桩码头模型如图3所示，可以看出：斜拉板桩码头主要是由钢筋混凝土前墙和钢筋混凝土斜拉桩来抵抗土压力。

图3 斜拉板桩码头图

斜拉坝坝顶可铺装桥板，以便行人车辆通行和门机安装运行，斜拉坝坝顶也可过流。前倾式斜拉坝可以顺着坝面溢流，下游可以采用挑流等方式进行消能，对下游基础的冲刷破坏较小。支墩坝坝趾处在运行期会产生压应力，坝踵处会产生拉应力，因而在坝踵处容易产生裂缝。前倾式斜拉坝溢流坝段模型见图4，坝体自重可抵消部分水压力，在蓄水前坝踵处产生较大的压应力，而在坝趾处产生拉应力，这与运行期的斜拉坝刚好相反，如此一正一反可抵消运行期部分坝踵处的拉应力，有利于提高坝踵的抗拉能力，有效避免坝踵处拉裂缝的产生。关于在施工期前倾式斜拉坝坝趾处混凝土是否满足抗拉要求和坝体稳定，可通过有限元分析等手段来设计坝体的前倾角度和施工进度。

图4 前倾式斜拉坝溢流坝段模型图

斜拉坝挡水面板可采用钢材制作，拉索可考虑采用轻质高强耐腐蚀耐疲劳的CFRP等材料制成，可以充分利用CFRP材料强度，在施工期给拉索施加一定大小的预拉力，减小后仰式斜拉坝坝踵处的拉应力。对于服役时间较久的斜拉坝，拉索有可能会被腐蚀而使其强度不满足要求，对于该类拉索可在枯水期进行更换，或者采用增大截面法对其进行加固。

相较于重力坝而言，抗滑稳定不再是斜拉坝的重点研究内容，因为重力坝是依靠自身重力维持稳定，而斜拉坝主要依靠拉索提供拉力来维持稳定。因此将拉索牢牢锚定在坝前地基上是斜拉坝稳定与否的关键，有必要对斜拉坝坝前地基基础的锚杆、抗拔桩等的抗拔机理[11]进行深入研究。相较于支墩坝，斜拉坝的支墩体积大幅减小，减少了混凝土和温控的工程量。

斜拉坝拉索与坝体连接的一端主要连接在坝体的支墩上，拉索与坝前地基基础连接的一端主要连接在河床或者岸坡上。拉索与支墩连接的技术特点与斜拉桥立柱和拉索的连接技术相似。拉索与坝前河床连接时，如果遇到深覆盖层，则拉索的锚固将存在较大的技术难题，因此，在较宽的河床上修建斜拉坝，对坝址处的地质条件要求较高，需河床覆盖层较浅，基岩坚硬完整。拉索与坝前岸坡连接时，用锚固拉索的锚杆、抗拔桩等会同时起到岸坡抗滑桩的作用，有利于岸坡的稳定，同时，拉索拔拉力的竖向分力会平衡岸坡岩体的部分重力，这在一定程度上也有利于岸坡的稳定，如果在深“V”形峡谷中修建斜拉坝，可考虑将拉索连接在岸坡上，这有利于岸坡稳定的同时，会减少施工导截流的工程量，减小截流的上下游水头差，导流隧洞的长度也将大幅减小。岸坡上锚定的施工不影响斜拉坝大坝主体的施工，有利于缩短工程建设周期。传统拱坝将力传递给了两岸坝肩，这对两岸坝肩地质构造要求较高，斜拉连拱支墩坝在大坝中部设置立柱和拉索来承担拱形面板传递过来的水压力使得两岸坝肩的压力大大减轻，降低了坝址处两岸坝肩岩性对大坝建设的约束。图5为斜拉连拱支墩坝拉索连接在两岸岸坡上的大坝模型。从图5可以直观的看出该模型具有较好的景观效果，立柱两边的挡水面板就像工人张开的臂膀、也像翻开的书本，两边的拉索犹如蜻蜓的薄翼一般，总体看上去较为美观。

图5 斜拉连拱支墩坝拉索与岸坡的连接图

斜拉坝模型除了用于新坝的建设外，也可考虑用于老旧支墩坝的加固。针对平板支墩坝不满足抗滑(抗倾)要求的问题，T.库努夫等[12]发明了一种支墩坝加固新技术，当采用斜拉坝模型加固支墩坝时，随着库水位下降，可考虑在支墩坝支墩上面打孔，将拉索牢牢连接在支墩上，拉索另一端连接在支墩坝上游水下河床上面或者上游两岸岸坡基岩上面，这也是一种加固支墩坝的方法。

由于斜拉索顶替了支墩大部分抵抗水压力的功能，使得支墩体积大幅减小，这使得斜拉坝在降低混凝土温控、减小混凝土工程量和缩短工期等方面具有优势。而斜拉坝的经济性不仅体现在降低温控、减小混凝土工程量和缩短工期等方面，更主要的是丰富了坝型的选择。传统三大坝型(土石坝、重力坝和拱坝)的建造都会受到建材、地形、地质等方面的约束，当某一坝址都不适宜建造土石坝、重力坝和拱坝时，可以考虑修建斜拉坝，这将给大坝的建造带来较高的经济效益。

斜拉坝模型的提出有可能使得大坝坝高突破300 m级，向着400 m级甚至500 m级高坝发展，主要是基于现在的斜拉桥技术考虑，现今的斜拉桥主跨早已突破1 000 m级，同时也是对未来科技发展抱有积极乐观的自信。任何新技术，既冠名为新，就意味着缺乏实践经验和存在一定的风险[13]，斜拉坝坝高突破300 m级亦是一个漫长的过程，当下只是提出了斜拉坝这种新坝模型，斜拉坝的发展必然是从低坝、中坝、高坝到超高坝方向逐渐发展，过程中还将遇到很多难题，这都需要相关领域的专家学者去深入研究。随着相关斜拉坝理论不断完善和实际工程的逐渐验证，可以对斜拉坝模型不断地进行迭代优化，理论和技术不断完善。

斜拉桥技术已在水利工程领域有着较广泛的运用，如斜拉板桩码头、斜拉渡槽、斜拉管桥等，但在水利坝工领域的运用却较少。斜拉坝是桥梁技术和坝工技术之间连接的一条纽带，斜拉坝的发展必将促进坝工技术和桥梁技术的发展，使得二者取长补短、相互融合。

4 结 语

斜拉坝是一种新的坝工模型，通过引入斜拉桥技术对支墩坝进行升级优化，是联系桥梁技术和坝工技术的一条纽带，但还需要深入的研究和实际工程的检验，也希望得到有关学者的关注和讨论。