水工建筑的设计交流及施工技术探析

郭韵慧

(河海大学水电工程学院，南京210000)

1 工程概况

某高山峡谷地区规划的水利枢纽，拟定坝型为混凝土重力坝，其任务以防洪为主、兼顾灌溉、发电，为3级建筑物。

2 水文地质

上游设计洪水位为355.0 m，相应的下游水位为331.0 m;上游校核洪水位356.3 m，相应的下游水位为332.0 m;正常高水位354.0 m;死水位339.5 m。河床高程328.0 m，约有1～2 m覆盖层，清基后新鲜岩石表面最低高程为326.0 m。岩基为石炭岩，节理裂隙少，地质构造良好。抗剪断强度取其分布的0.2分位值为标准值，则摩擦系数f'ck=0.82，凝聚力c'ck=0.6MPa。河流泥沙计算年限采用50 a，据此求得坝前淤沙高程337.1 m。泥沙浮重度为6.5 kN/m3，内摩擦角φ=18°。枢纽所在地区洪水期的多年平均最大风速为15 m/s，水库最大风区长度由库区地形图上量得 D =0.9 km。坝体混凝土重度γc=24 kN/m3，地震设计烈度为6度。拟采用混凝土强度等级C10，90 d龄期，80%保证率，fckd强度标准值为10 MPa，坝基岩石允许压应力设计值为4 000 kPa。

3 设计要求

拟定坝体剖面尺寸，确定坝顶高程和坝顶宽度，拟定折坡点的高程、上下游坡度，坝底防渗排水幕位置等相关尺寸。对于荷载计算及作用组合此工程只计算一种作用组合，选设计洪水位情况计算，取常用的五种荷载:自重、静水压力、扬压力、淤沙压力、浪压力，计算其作用标准值和设计值。抗滑稳定验算可用极限状态设计法进行可靠度计算。

4 设计工作

4.1 非溢流坝剖面的设计

确定剖面尺寸的过程归纳为:初拟尺寸—稳定和应力校核—修改尺寸—稳定和应力校核，经过几次反复，得到满意的结果为止。本工程只要求计算一个过程。

4.1.1 初步分析

该水利枢纽位于高山峡谷地区，波浪要素的计算可选用官厅公式。因地震设计烈度为6度，故不计地震影响。大坝以防洪为主，3级建筑物，对应可靠度设计中的结构安全级别为Ⅱ级，相应结构重要性系数γ0=1.0。坝体上的荷载分两种组合，基本组合(设计洪水位)取持久状况对应的设计状况系数ψ=1.0，结构系数γd=1.2;偶然组合(校核洪水位)取偶然状况对应的设计状况系数ψ=0.85，结构系数γd=1.2。坝趾抗压强度极限状态的设计状况系数同前，结构系数γd=1.3。可靠度设计要求均采用作用(荷载)设计值和材料强度设计值。作用(荷载)标准值乘以作用(荷载)分项系数后的值为作用(荷载)设计值;材料强度标准值除以材料性能分项系数后的值为材料强度设计值。本设计有关(荷载)作用的分项系数分别是:自重为1.0;静水压力为1.0;渗透压力为1.2;浮托力为1.0;淤沙压力为1.2;浪压力为1.2。混凝土材料的强度分项系数为1.35;因大坝混凝土用90 d龄期，大坝混凝土抗压强度材料分项系数取2.0;热扎Ⅰ级钢筋强度分项系数为1.15;Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级为1.10。材料性能分项系数中，对于混凝土与岩基间抗剪强度摩擦系数f'ck为1.3，凝聚力c'ck为3.0。上游坝踵不出现拉应力极限状态的结构功能极限值为0。下游坝基不能被压坏而允许的抗压强度功能极限值为4 000 kPa。实体重力坝渗透压力强度系数α为0.25。

4.1.2 非溢流坝剖面尺寸拟定

确定坝顶高程，坝顶在水库静水位以上的超高△h=hl+hz+hc，对于安全级别为Ⅱ级的坝，查得安全超高设计洪水位时为0.5 m，校核洪水位时为0.4 m。分设计洪水位和校核洪水位两种情况计算。D风区长度(有效吹程)为0.9 kM，v0计算风速在设计洪水情况下取多年平均年最大风速的2倍为30 m/s。

波高:

波浪中心线至计算水位的高度:

4.1.3 荷载计算及组合

以设计洪水位情况为例进行稳定和应力的极限状态验算(其它情况略)。根据作用(荷载)组合，设计洪水情况的荷载组合包含:自重+静水压力+淤沙压力+扬压力+浪压力。沿坝轴线取单位长度1 m计算。将坝体剖面分成两个三角形和一个长方形计算其标准值，廊道的影响暂时不计入。按设计洪水时的上下游水平水压力和斜面上的垂直水压力分别计算其标准值。扬压力强度在坝踵处为γH1，排水孔中心线上为γ(H2+αH)，坝趾处为γH2。α为0.25，分别计算其扬压力标准值分水平方向和垂直方向计算。泥沙浮重度为6.5 kN/m3，内摩擦角φs=18°。水平淤沙压力标准值为Psksbhs2tg。坝前水深波长(H ＞L/2)采取PwkwLm(hl+hz)公式来计算浪压力标准值。

4.1.4 抗滑稳定极限状态计算

坝体抗滑稳定极限状态，属承载能力极限状态，核算时，其作用和材料性能均应以设计值代入。基本组合时:

4.1.5 坝址抗压强度极限状态计算

坝趾抗压强度极限状态，属承载能力极限状态，核算时，其作用和材料性能均以设计值代入。基本组合时(1+0.752)=(271.33+163.00)1.5625=678.64kPa;坝趾岩基为3076.92kPa，由于 678.64kPa ＜ 3076.92kPa，故基本组合时坝址基岩抗压强度极限状态满足要求。坝趾混凝土C10的计算为:3846.15kPa，由 于 678.64kPa ＜3846.15kPa，故基本组合时坝趾混凝土C10抗压强度极限状态满足要求。

5 水工建筑物施工措施

5.1 施工准备

开工前，应做好各项枝术准备、各种器材和施工机械设备的准备工作。对料场进行现场核查，普查土料天然食水量和适用性，采集土样，做颗粒组成，黏性土的液塑限和击实，砂性土的相时密度等试验。

5.2 测量放样

进行平面、高程及断面测量控制。在熟采现场及图纸资料基础上，勘察现场、布置平面控制和高程控制网，绘制测量放样图、搞河道开挖和堤防堤筑位置，标准在网络坐标中，网络控制点布置在不易破坏的处所，并设置醒目标志。每个测站及时计算高程误差及前后视距，当计算满足要求时，方可进入下一站测量工作。对地形复杂和变化较大处，需进行少测或补测断面，参与二方平衡。测量时，可将高程由高程桩引在断面桩用全站仪测量断面图。

5.3 堤清理和河道清表、清淤

堤基表面不合格土、杂物等必须清除，堤基范围内的坑、槽、沟等应按堤身填筑要求进行回填处理。采用挖掘机配合铲运机进行，清除所有直径在30 cm以上的树根，直径以下树根每平方米不超过3个。在河床清淤合格后方可进行河道开挖作业。

5.4 施工开挖

土石方开挖应自上而下分层进行，结合施工总布置和施工总进度作好整个工程的土石方平衡，并与水土保持措施相结合。在满足施工总进度及环境保护要求前提下，开挖石渣宜利用;在邻近建基面的常规开挖梯段爆破孔的底部及建基面之间预留保护层、地基保护层以上石方开挖。

5.5 土石坝施工

施工上坝道路布置应遵守一定原则:限制坡长条件，道路最大纵坡不大于15%。土石料用自卸汽车运输上坝时，宜采用进占法卸料，压实设备类型可根据土石料性质等因素选择，铺料厚度应根据土石料性质和压实设备性能通过现场试验或工程类比法确定。混凝土面板堆石坝上游坝坡压实平整后的边坡可用沥青乳胶或碾压砂浆等措施固定。沥青混凝土面板宜一期铺筑，当坝坡长＞120 m或因度汛需要，也可分两期铺筑，但两期间的水平缝应加热处理。纵向铺筑宽度可3～4 m。碾压式沥青混凝土心墙的铺筑层厚宜通过碾压试验确定，可采用20～30 m。铺筑与两侧过渡层填筑宜平起平压。

6 结语

水利工程建筑应该从单一的水利功能向全面功能发展，提高设计标准，同时还应考虑到水工建筑物的外观设计，从而促进水利工程使用功能和美化环境并举。

［1］黄炎红.水工建筑物设计问题探讨［J］.科技创新与应用，2012(6):17-18.

［2］马永红，赵宇.梨树灌区渠首闸门系数率定分析及重要性［J］.农业与技术，2012(1):4.