加筋砌石拉墩坝设计探讨

厉明凤

（十堰市水土保持工作站，湖北十堰 442000）

为了探求在山区宽浅河谷建造低坝的适宜坝型，笔者在湖北省十堰市山区试验性地设计了一座加筋砌石拉墩坝（以下简称拉墩坝）。该坝河床以上坝高9m，面板底厚2m，拉墩底厚1.5m，设计坝顶溢洪水深2m。坝体材料为小石子混凝土砌块石，防渗面板为素混凝土。钢筋层在坝体砌筑时留空填充小石子混凝土，坝体工程量约为同坝高重力坝方案的 40%。该坝运行多年来安全正常，因而断定：在宽浅河谷上建造低坝，如采用拉墩坝的坝型，可获得较好的技术经济效果。现对拉墩坝设计方案的设想和实践作理论上的探讨。

1 拉墩坝的主要特点

目前山区低坝通常的型式是：圬工重力坝、底流消能，下游设护坦、海漫防冲。山区河流的特点是河床比降大，虽加长消能工而水流仍有较大势能，护坦、海漫的冲蚀往往是不可避免的。重力坝由于其体积大而使工程造价高的弱点，也是众所周知的。

在宽浅河谷中建造低坝，采用支墩坝、拱坝等轻型坝一般要优于重力坝。但宽高比过大就会使拱坝方案失去其经济意义；还有坝顶溢流单宽流量的限制和水舌向心集中所带来的下游消能问题。这些因素大大限制了拱坝的适用的范围。支墩坝的坝顶溢流水舌，因直接冲击支墩而形成剧烈紊流，可能导致支墩的震动和剥蚀，和对坝、墩基础的冲刷。因此，支墩坝下游消能防冲设施的造价一般比较高。

基于上述分析，产生了拉墩坝坝型的（锚筋未标出）设计方案（见图1）。

图1 拉墩坝纵剖面示意图

拉墩坝的主要特点如下。

（1）拉墩坝宜建在基岩覆盖较浅，石质较硬，构造较完整的“U”形宽浅河谷，这种坝址在山区中、小河流上是比较容易找到的。

（2）利用锚筋把荷载传递到基岩，能发挥圬工砌体抗压、钢筋抗拉的材料力学特性。作用在坝面板上的水压力、泥沙压力以及其他荷载，由坝面板传给拉墩，再由拉墩主要通过锚筋传至基岩。锚筋使坝体与基础联成一体，实现坝身的抗滑、抗倾和抗剪切安全。面板和拉墩内的配筋，与基础锚筋组成了抗拉应力的网络，不必因坝踵拉应力偏大而加厚坝体，从而使坝身做得较轻。

（3）坝顶溢流水舌的首尾在平面上均呈直线分布，消能工结构比较简单，跌流戽可起护坦和消能双重作用。和支墩坝相反，拉墩坝在坝面板上游面设置拉撴，呈直线分布的溢流水舌的消能防冲问题，就比水舌呈梳齿状分布的支墩坝要简单得多。坝顶设挑流板，坝体下游面做成起立壁，避免溢流“贴壁”，从而消除了溢流水舌对坝体造成的震动和剥蚀，傍坝址设置跌流戽，既具有护坦的防冲作用，戽内水垫又可消杀大部分跌流余能。

2 锚筋工作状态及拉墩坝稳定计算

置于基岩中锚筋的抗拉强度，往往能超过钢筋的屈服强度；其抗剪强度也往往大于一般钢筋的抗剪强度。这一点已被许多工程现场实验所证实，由下述计算可知，锚筋对于轻型坝的稳定起着十分显著的作用。

2.1 坝体抗倾稳定计算

拉墩由于体积小、重量轻，而坝顶溢流较深，上游水位高，水压力和泥沙压力所产生的水平推力较大，加上溢流高流速水舌对坝体的拖曳力和振动，解决坝体的抗倾覆问题就显得特别重要。

通常的抗倾稳定计算公式是：

式中：Wi——抗倾覆力（t）；

Pi——倾覆力 （t）；

Ei——各作用力对坝趾点的力臂（m）。

构成拉墩倾覆力矩的力有水压力、泥沙压力；水的渗透压力、扬压力以及坝顶溢流的拖曳力、脉动压力等。一般情况下，构成抗倾覆力矩的力有坝体重量、压在坝身上的水重、泥沙重以坝下游水压力等。而在拉墩底部与基岩设置锚筋后，每一根锚筋的抗拔力对坝趾点的力矩中心形成一个抗倾覆力矩，这在技术经济上是合理的。

锚筋具有相当大的抗拉拔能力。湖北省富水水库溢洪道，基岩为水云母页岩，含水云母矿物达60%以上，岩体严重风化，裂隙率达4.3%～5.7%。在底板下设置锚筋，孔深 2.5m左右，用Ф25～28mm，屈服强度 2600kg/cm2的螺纹钢，锚孔填料为 1：1水泥砂浆，水灰比0.45～0.6。经现场作拉拔试验：Ф25锚筋可承受拉力10t以上，最大的达14.1t，接近（个别超过）钢筋的屈服极限强度。在岩质较好的基础上设置锚筋，再铺以较好的锚孔填料和正确的施工方法，可获得更好的抗拉拔效果。陕西省冯家山水库，在隧洞喷锚支护中，用Ф28mm，屈服极限强度4300～4500kg/cm2的圆钢作锚筋，锚孔直径42～45cm，锚入基岩2.3m，锚孔用1：1水泥沙浆填筑。经现场拉拔试验：一根锚筋可承受 27.5吨的拉力，达到或超过了钢筋的屈服极限强度。未被破坏。

富水水库在拉拔试验中被拉出的锚筋，既使拉应力超过了钢筋的屈服强度，也是锚孔填料或基岩的剪切破坏，钢筋本身均完好无损。这说明，锚筋的允许拉应力是可以超过其屈服强度的。这是由于锚筋所承受的拉力，通过锚孔填料传递到基岩，锚筋、填料、基岩共同承担了全部拉力，既使拉应力超过了锚筋的屈服强度，锚筋实际上并没有受到这样大的拉应力。填料和基岩的抗剪强度和所承受剪应力的差距，总是小于钢筋的抗拉强度和拉应力的差距。所以，锚筋的破坏总是从填料或基岩的剪切破坏开始。锚筋的拉伸破坏主要为三种形式。

（1）砂浆与锚筋粘着力破坏。

（2）砂浆剪切强度破坏。

（3）岩石抗剪强度破坏。

因此，锚筋抗拉强度的大小，主要取决于基岩强度、锚孔填料和填筑操作质量。而锚筋的埋置深度应以岩石的抗剪强度和填料的粘着力为函数，才是切合实际的。

有锚筋参加工作的拉撴坝抗倾稳定计算公式：

式中：Si—— 一根锚筋的抗拔力，Si=πdLτ；

d ——锚筋直径，cm；

L ——锚入基岩的长度，cm；

τ ——砂浆与锚筋的粘着力或基岩抗剪强度（取二者中的小值，单位：kg/cm2）；

Li——锚筋与力矩中心（坝趾点）之距，cm；其他符号意义同（I）式。

2.2 坝体抗滑稳定计算

坝基抗滑稳定计算的四公式中，磨擦公式把坝底面与基岩单纯地看着“接触”，忽略了“胶结”和“咬合”作用，这显然不合实际。摩剪公式考虑了磨擦和“胶结”，比较全面。接触面的摩擦力，混凝土或基岩的抗剪强度，对于3级以下的建筑物，可通过室内试验或根据材料、地质情况由资料查得或用工程类比法确定。抗剪断公式和抗剪公式分别以胶结面的抗剪断强度、材料抗剪强度作为判定坝体是否稳定的依据，具有一定的先进性。但胶结面的抗剪断摩擦系数、抗剪断凝聚力和材料的抗剪强度，须经野外试验确定，而中、小型工程作到这一点是困难的。

四者相比较，考虑到计算方法的先进性和实用性，在目前尚无较高的拉墩坝实践的情况下，坝体抗滑稳定计算，以摩剪公式较为经济合理。因为，对于中、低高度的坝，摩剪公式中的“CA”项的作用是比较显著的，通常的摩剪公式为：

式中：Ks——抗滑安全系数；

f ——坝底与基岩摩擦系数；

∑V ——作用于滑动面以上的力在垂直滑动面方向投影的代数和；

C ——滑动面的抗纯剪强度（粘结强度，一般为 20～40kg/cm2）；

A ——坝底面积；

∑H ——作用于滑动面上的力在滑动面方向投影的代数和。

公式中的纯抗剪强度C值，因基面坎坷不平，坝底面与基岩呈“咬合”状态，坝体受水平推力后，一般在混凝土内部或基岩内部剪断。因此，C值宜用混凝土或基岩的纯抗剪强度（二者中之小者）。但混凝土的纯抗剪强度一般只有其相应抗压强度的1/7左右，岩石的抗剪强度一般只有其相应抗压强度的 1/25左右，往往因不能满足抗滑稳定要求而增厚坝体。在基岩和坝体中置入锚筋后，一方面钢筋可承担大部分水平推力，另一方面，在锚筋没有被剪断的情况下，岩体强度由于剪切面上获得了一定量的附加法向应力而提高。这样，用较小的坝底面积即可获得抗滑稳定安全效果，从而使坝体做得较薄，降低工程造价。

考虑锚筋作用的摩剪公式：

式中：τ——锚筋抗剪强度，kg/cm2；

Fa——锚筋总截面积，cm2；

其他符号意义同（Ⅲ）式。

3 拉墩和面板配筋计算

面板厚度、拉墩厚度和迎水面坡度，按构造、防渗要求拟定。然后进行荷载、内力计算；配筋计算和强度核算。面板承受的外力有水压力、泥沙压力、自重、扬压力以及温度、地震荷载等。拉墩除承受与面板同名称的外力外，主要承受面板传来的荷载，一个拉墩承受其两侧中分的1/2块面板的总荷载。

面板、拉墩的内力计算、配筋计算和强度核算，可分别参考混凝土和配筋砖石结构的连续板和偏心受压柱进行。本文不予赘述。

4 溢流消能——跌流戽

中、小型砌石坝多为无闸门控制的坝顶溢流。溢洪期的首尾时段都有“贴壁流”和近挑距的水舌冲刷坝址附近。通常的作法是设护坦保护坝趾，或在下游筑二道坝壅高尾水以水垫防冲。

拉墩坝的坝顶溢流宜采用自由跌落型式，其水舌跌落区虽也随堰顶水头变化而不同，但变化幅度不大。在坝趾处设跌流戽，使戽顶平齐或低于下游河床，淹没于尾水而形成水垫，以保护坝趾不受冲刷和消杀大部分余能。

因而，拉撴坝的溢流就出现两次消能过程：第一次为跌流消能。溢流水舌自坝顶跌落时，受到空气阻力，四面掺气，消杀了一部分能量。据实验：一般可平均消杀总能量的 12%，有时可达 20%。广东省龙颈水库，挑流水舌在空中的能量损失为18.35%～18.9%。第二次为戽面消能。水舌在空中消杀12%～20%的能量，再加上建筑物段的能量损失和尾水余能，约有60%～80%的总能量需要利用跌流戽和下游水垫消杀。

4.1 跌流戽的表面形状

跌流戽应做成圆弧表面，使水舌下跌轨迹线与戽面呈斜交，以避免流束对戽面的正面撞击而产生剥蚀。美国垦务局曾用高速水流作抗冲试验，射流入水流速 58m/s，到达混凝土表面的平均流速约为23m/s。结果，垂直方向冲射35天后，在混凝土表面形成1～2cm的小坑。当入射角为5°～45°时，经长期冲射未见明显冲蚀。

圆弧形表面加厚了水舌入水处的水垫，有助于水流在戽内形成旋滚，造成剧烈紊流，从而获得较大的消能效果。

4.2 戽体平面尺寸

戽体宽度不得小于坝顶溢流段宽度。戽体长度根据跌流射程确定。

设计洪水下的坝顶跌流射程，按实用堰跌流公式计算。 根据俄国巴甫洛夫斯基提供的数据，当h´=0.64H´，ϕ≈1 时：

式中：H0——设计堰前水深，m；

P ——坝高，m。

图2 戽长计算简图

则跌流戽的长度：L = 2（L1- δ）

式中：δ——坝顶宽度，m。

4.3 戽端出挑角

戽的下游端点圆弧切线与水平面的夹角以45°时消能效果最好。但会造成较大涌浪和过深冲坑。而且，较大的出挑角必然使戽体边缘厚度加大，增加造价。山区中，小河流河床基岩一般埋深不大，防冲刷要求不高，宜用较小的出挑角（15°～30°），以减少戽脚冲刷和减薄戽边缘厚度。

圆弧半径，据戽体中心点、戽端顶点和出挑角，用作图法或解析法确定。

4.4 戽板厚度和防冲齿墙深度

跌流戽底板中心（最小断面）的厚度，按弹性地基梁设计。主要承受跌流的冲击荷载，和水的渗透压力、扬压力等。边缘厚度按结构要求拟定，当戽板中心厚度、戽体长度、圆弧半径和出挑角确定后，边缘厚度即随之确定。

戽体与基岩间也要加设锚筋，严防大尺度紊动的强动水压力钻入戽底与基岩间造成成块甚至成片戽板的破坏。

当出挑角较大，基岩质量较差时，可能使戽脚出现较深冲坑而危及戽体安全。应在戽体下游端设防冲齿墙（关门坎），墙基置于预计的基岩冲坑深度以下，避免戽体“露脚”。

[1]陶振宇主编.岩石力学的理论与实践.1979年

[2]岩石力学.华东水利学院.1980年

[3]湖北省水利水电工程勘测设计施工资料汇编.湖北省水利厅.1968年

[4]泄水建筑物下游的消能防冲问题.长江水利水电科学研究院.1980年

[5]张志恒等.泄水建筑物消能防冲论文集.1980年