水利工程大坝结构设计及运行监测研究

王宇轩

摘 要：本文基于笔者多年从事水利工程设计的相关工作经验，以水利枢纽工程大坝结构设计为研究对象，论文首先分析了设计的需求，进而详细探讨了结构设计，最后给出了运行监测结果，全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：水利 枢纽 工程 混凝土面板 堆石坝 设计

中图分类号：TV698 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）10（c）-0000-00

引言

混凝土面板堆石坝对地形和地质条件都有较强的适应能力，并且施工方便、投资省、工期短、运行安全、抗震性好，因而其作为坝型选择具有很大的优势，面板堆石坝的发展也随之取得了很大的成功。据统计，截至2006年，全世界建成在建及设计中，坝高超过50m的面板堆石坝共计约390座。自1985年开始，中国利用现代技术修建混凝土面板堆石坝虽只有20多年，但数量、规模和技术等方面均处于世界前列，总数已超过40%。这些坝为面板堆石坝在抗冻、抗裂等方面的技术，为面板堆石坝的发展提供了非常宝贵的经验。

1 工程简介

某水利枢纽工程位于吉林某干流上，坝址以上流域面积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。

枢纽工程由混凝土面板堆石坝、泄洪洞、溢洪道、发电引水系统及电站厂房等建筑物组成。大坝为混凝土面板堆石坝，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56.60 m，上游坝坡1∶1.4，下游坝坡1∶1.3。混凝土面板厚度0.3～0.5 m，址板厚0.8 m。

坝体分为垫层区、过渡层区、主堆石区、次堆石区，在周边缝下游部位设有特殊的垫层小区，如图1所示。

该坝址日内温差大，孔隙水结冰充分，冻融循环次数多，面板不仅要有足够的强度和防渗性、耐久性、抗冻性等，柔性及嵌缝材料、橡胶止水带等也必须有较高的特殊要求，因此面板、趾板等关键部位的材料选择、结构设计与施工是本工程的重要环节。

2 坝体设计选料要求

2.1 面板混凝土原材料及性能指标

由于面板混凝土的耐久性直接决定面板的寿命，而耐久性又受日晒、风吹、雨淋、冲刷抗冻融及碳化、疲劳、溶蚀、各种有害离子的化学反应、钢筋锈蚀膨胀等各种内、外因素影响，不象混凝土和易性、抗裂性，能在短期内能反映出来，因此合理选择混凝土原材料，是保证其耐久性正常发挥、增加面板寿命的主要措施。

由表1知，该工程混凝土材料参数选择均比较严格。在增加混凝土强度的同时，提高其抗渗抗冻标号，保证其具有一定的含气量，以满足抗冻要求。与同期一般工程相比，该工程通过试验，对混凝土水泥材料强度、水灰比等原材料指标进行了选择与调整，结果如表1所示。利用上述材料的用量及指标控制，保证了施工后的面板混凝土性能指标均达到二级配R250S8D250的要求，这一要求与其后颁布的新规范C25W8F300要求基本相同。

2.2 止水系统材料

面板接缝主要分为周边缝、伸缩缝两类。周边缝是趾板和面板间接缝。伸缩缝可分为防浪墙和面板间接缝，面板之间接缝（分受拉缝和受压缝），趾板之间接缝和防浪墙之间接缝。该工程坝址区，多年平均气温2. 2℃，最低气温-42. 6℃，最高气温34.4℃，温度变幅大，因此工程设计中对柔性嵌缝材料、橡胶止水带等提出了较高要求，如要求柔性嵌缝材料高温60℃时不流淌，低温-45℃时不脆裂，变形率大于40%，耐久性好，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

根据该工程各种筑坝材料的性质和面板坝的工作条件，混凝土面板以下坝体分为垫层区、过渡层区、主堆石区、次堆石区，在周边缝下游部位设有特殊的垫层小区。

垫层区主要为混凝土面板提供一个均匀、稳定的低压缩性基础，同时满足渗透稳定准则及严寒地区垫层料透水准则。设计要求选用质地新鲜，坚硬且具有较好耐久性的石料经过加工而成，最大粒径不超过8cm，小于0.5cm的含量为25%～40%，小于0. 01 cm的含量不大于5%，连续级配料，Cu>20，渗透系数K = i×10-3cm/s。施工中将垫层料与过渡层料铺筑和碾压结合，俩区坝料同步填筑碾压。既达到了面板有均匀、稳定的支撑，又达到了节约用料降低造价的目的。

主堆石区为坝的主体，其石料的质量、密度、沉降量的大小直接关系到面板大坝的安危，设计要求该料石质坚硬、级配良好，最大粒径不超过60cm，小于0. 5 cm的含量不超过20%，小于0.01 cm的含量不大于5%，连续级配料， Cu>15，次堆石区主要用于保护主堆石体及其自身边坡的稳定。主堆石与下游堆石间的大量不均匀变形将使面板受弯而形成较大拉应力，成为引起面板裂縫的重要因素之一，因此本工程将主堆石与下游堆石区的界限设置成自坝

轴线附近向下游倾斜坡度设计为1∶0.5，并将主堆石及下游堆石采用同一料源和同一岩性的材料，使上下游堆石体的模量差尽量减小。该工程采取了改善堆石坝结构，使上下游堆石体的模量差尽量减小，加强坝体堆石碾压，选择有利施工时段，尽量避开冬季施工。垫层区满足渗透稳定准则及严寒地区垫层料透水准则等措施，保证了坝体填筑质量及结构运行的要求。

3.2 混凝土面板、趾板及止水设计

大多数观测资料表明，在水荷载作用下，面板的大部分区域受压，仅在坝顶和近岸边处有拉应变。面板应变和堆石体变形特性密切相关，与其厚度关系不大。该工程的混凝土面板厚度采用连续变截面形式，最大厚度为0. 5m，最小厚度为0.3m。面板间伸缩缝只设纵缝，不设永久水平缝，面板垂直缝间距河谷中部为12 m，两岸垂直缝间距为6m，面板最大板块斜长91.05 m。在面板中部设单层双向钢筋，适当增加面板钢筋含量（每向配筋率0.4%）。并选择面板混凝土的有利浇筑时机，避免混凝土早冻。

趾板是以灌浆帷幕为主的地下防渗体系与地上防渗结构的连接部位，是一个承上启下的防渗结构。采用平趾板型式布置，板厚0.8m。趾板线由面板底面与趾板下游面的交线控制。本工程趾板宽度依据基岩风化、破碎情况，允许渗透比降和基础处理措施综合确定，趾板最大宽度6.0m，最小宽度4.0m，趾板每12 m设一道伸缩缝。为保证趾板与基岩的可靠连接，通过锚杆锚固试验，并参照已建工程经验，在趾板内设置φ28锚筋，插入岩石深度3.5m，每1.2m2布置一根。

4 主要运行监测结果

4.1 坝体沉降

大坝的沉降监测分两个高程、五个测点进行。监测发现：大坝的沉降量随大坝填筑高度增加而增大，符合一般规律。当大坝填筑到顶后，各测点沉降量增加很少，蓄水后各测点沉降量也没有明显增加，即大坝后期沉降不会很大。竣工期最大沉降点在坝轴线处，最大沉降值为20.2cm，占坝高（56.6m）的0.38%，蓄水期最大沉降值为25.2cm，占坝高（56.6 m）的0. 47%，在国内同类工程中属偏小。

4.2 坝体水平位移

通过各高程处引张线水平位移计对坝体水平位移进行监测，监测发现：测点水平位移变化有规律，施工期的位移量总体上向上游移动，蓄水后位移方向指向下游，且水平位移均不大，多年后总体趋于稳定。

4.3 面板周边缝位移及渗流监测

利用7个测点对周边缝的沉降、剪切及开合度过程线进行测量，测量发现本工程混凝土面板周边缝的变形较小，即周边缝止水破坏的可能性较小。

渗漏监测发现，渗漏量为13.9×10-3m3/s，年渗水量为44万m3，小于设计渗漏量。

5 结语

经过大量的试验研究及参考已有工程经验，该混凝土面板堆石坝在遵循传统理念进行设计同时，也结合气候特点采取了一些相应的改进措施，保证了大坝能较好的适应极端气候运行的要求。水库蓄水后经历了几个严冬，通过大坝的沉降、位移、渗流量等参数监测分析发现，大坝的总体运行狀况良好。

参考文献

[1] 肖化文. 邓肯-张E-B模型参数对高面板坝应力变形的影响[J]科技资讯， 2004，（06） .

[2] 陆述远，唐新军. 一种新坝型——面板胶结堆石坝简介[J]科技创新导报， 1998，（02） .

[3] 张电吉，汤平. 尾矿库土石坝稳定性分析研究[J]科技资讯， 2003，（03） .