关于混凝土重力坝断面设计的探讨

刘铸选

（广西壮族自治区河池水利电力勘测设计研究院）

关于混凝土重力坝断面设计的探讨

刘铸选

（广西壮族自治区河池水利电力勘测设计研究院）

混凝土重力坝存在着断面大、耗用水泥多、材料强度尚未充分利用等特点，因此应尽可能地降低扬压力，对简化施工、加快进度、降低造价等有重大的意义。本文章对混凝土重力坝断面设计的探究，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。

混凝土重力坝；断面设计；分析

1 前言

水利工程是我国最根本的基础设施，因此，加大对水利工程的投入十分重要。水利工程建设的重点是重力坝的设计，混凝土重力坝的设计直接影响到混凝土重力坝的施工质量和施工安全。然而，我国在混凝土重力坝的设计方面还存在许多的问题，因此，如何制定合理的消能模式以及对坝体出现的裂缝进行修复等问题还需要施工人员和技术人员进行研究探讨。

2 混凝土重力坝的建设现状

对已经建成并投入使用的混凝土重力坝进行观察分析发现，只要大坝上游在修筑时布置了可以防止大坝渗水的装置，则可以保证重力坝的混凝土是干燥的。因此，如果大坝配置了有效的防渗结构的坝体的混凝土，则不需要再继续承担大坝防渗的功能。现如今国内外新修筑的混凝土重力坝一般都采用碾压混凝土技术来进行浇筑，碾压混凝土技术对于气候的适应能力比较强，适合在不同环境下使用。

3 混凝土重力坝溃坝实例简析

3.1 奥斯汀坝

奥斯汀坝位于美国宾夕法尼亚州，属于混凝土重力坝，坝高15m，长160m，在1911年9月30日，奥斯汀坝失事，洪水淹没了奥斯汀的大部分地区，使78人丧生。奥斯汀坝的坝顶宽0.76m，坝底宽9.4m，上游水深为14.4m，没有泥沙淤积的现象，下游水深为1.83m，坝踵应力严格遵循了当时的设计准则，但是坝体中没有设置排水措施，在设计时也没有对扬压力荷载进行充分的考虑。奥斯汀坝修建在砂岩基础之上，摩擦角为25°，无粘聚力，坝体的混凝土密度为2.4t/m3。事故发生后，对坝体进行了失稳分析（如表1），发现奥斯汀大坝的安全系数极低，最低为0.436，坝踵的拉应力为0.19MPa，因此，坝体失事的主要原因是由于大坝的坝体断面较小和大坝是在基岩上建造，而基岩的抗剪强度较低。按照现如今我国的规范来重新对奥斯汀重力坝进行设计，则要保证将其断面增加到26%以上，才可以满足无拉应力准则和抗滑稳定要求。

表1 奥斯汀大坝应力和稳定计算结果

3.2 圣弗朗西斯坝

圣弗朗西斯坝位于美国加利福尼亚，1926年竣工，圣弗朗西斯坝属于混凝土拱形重力坝，坝体高59m，长185m，主要用来为洛杉矶供水。1928年圣弗朗西斯坝失事，水从水库中猛然奔向下游，带来了极大的灾难。事故发生的主要原因是大坝基础不稳，设计和施工过程中也存在缺陷和问题，不符合规范的要求，比如在建造过程中没有进行基础灌浆、没有检查廊道、坝基排水不完善、没有设收缩缝、在设计时也没有考虑坝底的扬压力。

4 重力坝断面的设计

4.1 设计原则

按照混凝土重力坝的设计规范要求，重力坝的基本断面要满足以下三个原则：①在进行坝体的抗滑设计时要根据规定的安全系数进行设计调整；②坝体的应力设计也要满足规范的要求；③在规定的设计参数和施工条件下，大坝的基本断面的面积要尽可能的最小化。安全系数可以采用刚体极限平衡法来进行计算，坝体应力则采用材料力学方法计算，断面面积最小化则要在交互式的设计过程中才可以真正实现。

4.2 主要设计计算

（1）坝顶高程计算

在工程上游水位规定了之后，为了有效的防止波浪漫过坝体，要根据工况的上游水位和超高之和的最大值来确定坝顶的高度，坝体的高度则根据坝顶高度和最低点高度的差来确定：

Δh=hI+hz+hc

式中，hI为波浪高度，hI=0.00166Vo5/41D1/3；Vo为风速，取1.5～2.0倍的年平均最大风速；D为吹程；hz为波浪中心线至静水位的高度

（2）坝顶宽度、坝常用断面、上下游折坡坡度以及防渗排水设置的选择常用的断面有上游坝面铅直、上游坝面上部铅直下部倾斜、上游坝面略向上游倾斜三种；其中上游坝面上部铅直下部倾斜比较常见，这种方式不仅便于布置进口的设备来进行控制，也有利于利用一部分水重来帮助坝体保持稳定。

在进行坝体宽度的选择时，可以考虑实际的使用和设备安装的要求，上游折坡的坡度一般为0～0.2，下游折坡的坡度一半为0.6～0.8。

防渗漏的排水设置会对渗透水扬压力产生影响，而渗透水扬压力则又直接影响了坝体的稳定，我国的《水工建筑物荷载设计规范》中规定，防渗排水设置要按照全部的作用面积来进行计算，大小分为三种情况来进行考虑：①坝基设有防渗帷幕和排水孔；②坝基设有防渗帷幕、上游主排水孔以及下游副排水孔，还另外设置了抽排系统；③坝基没有设置防渗帷幕和排水孔。

（3）荷载和坝踵的作用力臂的计算

荷载要按照坝体的自重、上下游的静水压力、扬压力、泥沙压力、浪压力、地震荷载来计算，一般不再额外考虑冰压力以及温度这两个因素，扬压力的计算如下：

①坝基设置了排水孔和防渗帷幕：

②坝基设置了上下游排水孔，还另外设置了抽排水系统：

③坝基没有设置排水孔和防渗帷幕：

式中，γ水为水的容重；H1是上游水深，H2是下游水深；α是排水孔，α1是主排水孔渗透压力强度系数，α2是副排水孔渗透压力强度系数，分别取0.3、0.2和0.5；B为坝基宽度，L1是排水孔的水平距离，L2是主排水孔距坝踵的水平距离，L3是副排水孔距坝踵的水平距离。

（4）安全系数

坝体沿坝基面的抗滑稳定系数计算公式：

式中，f是坝基面的摩擦系数，ΣW是坝基面所受的总铅直压力；ΣP是坝基面所受的总水平推力。

上式主要用于判断设计断面的稳定程度，其计算结果应要大于或者等于设计规范要求的安全系数。如果出现小于给定安全系数的情况，则要对断面参数进行调整。

（5）应力分析

重力坝的上下游坝面对的应力主要包括水平截面上的正压力，水平截面一般取坝基面、水平正应力、剪应力和主应力。根据设计的规范要求，断面的坝踵不可以出现铅直拉应力。上、下游边缘铅直应力（以压应力为正）计算式如下：

4.3 坝基的固结灌浆

根据坝基工程的地质条件和坝高以及灌浆试验资料等情况进行分析，可以得到坝基固结灌浆的具体范围。固结灌浆排距和孔距大约为3～4m，深度大约为5～8m，一般按照梅花型来进行布置。另外，主要裂隙的情况和施工现场的实际情况决定了灌浆孔的方向，除此之外，灌浆的压力在保证不对基础岩体和盖重混凝土进行挪动的情况之下尽可能的进行提高。

4.4 重力坝坝顶的设计

重力坝中非溢流段的坝顶的宽度一般要小于3m，而溢流段的坝顶则需要根据闸门和检修时的各项要求来对坝顶的交通桥以及工作桥进行设置，如果是交通道路和工作道路所使用的坝顶，则要额外设置人行道，一般情况下，人行道要高出坝顶和路面约30cm，并在下游面设置高度为1.2m的钢管栏杆，还要在坝体的横缝处安装伸缩节。上游面则要设置高度也为1.2m的钢筋混凝土结构来防止波浪的侵袭，防浪墙的底部要固定在坝顶之上并在坝体的横缝处设置伸缩缝。

5 断面设计软件系统的开发

系统设计流程：

根据断面设计的方法，结合VB6.0的编程要求和实现方式，确定采用图1的流程设计思路。

图1 断面设计系统设计流程图

6 总结

综合上述，能够流畅地完成混凝土实体重力坝断面设计，其设计结果和设计过程能够做到清晰、便捷，并经过实际工程的应用，得出了合理的断面设计结果，说明本软件系统能够将断面的形状和具体尺寸确定，得到满意的效果。

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[4]程飞，刘小兵，冯凌寒.凝土重力坝断面设计软件系统的开发[J].西南民族大学学报，2008.

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1004-7344（2016）26-0164-02

2016-8-25

刘铸选（1989-），男，助理工程师，本科，主要从事水利水电工程设计工作。