坝底水浮力对重力坝稳定性的影响分析

黄元智,金淑南,王 锦

(1.毕节职业技术学院,贵州 毕节 551700；2.贵州众诚天河水利工程有限公司,贵州 毕节 551700)

坝底水浮力是一种不可避免的影响因素,基于重力坝建设施工的重要性,本文对影响重力坝稳定性的坝底“水浮力”进行侧重分析,将坝底水浮力与重力坝二者之间的“关联性”进行阐明,并根据重力坝现场施工、设计情况,采用相对的优化抗浮措施,为重力坝建设整体稳定安全竣工奠定基础。

1 坝底水浮力概述

随着我国建筑工程施工水平不断提升,桥坝工程作为我国重点基础性保障施工,具有相对的重要性与作用性。现阶段,我国桥坝工程建设项目较多,由于地理环境、水质环境、施工因素等诸多限制一度导致工程施工的滞后性、局限性。其中,坝底水浮力对重力坝稳定性尤为重要。不仅对重力坝整体结构造成冲击影响,还对重力坝安全性、稳定性构成相对威胁。因此,通过对坝底水浮力对重力坝稳定性的影响分析,可以从更为科学、客观的角度去看待问题、处理问题。本章节对坝底水浮力进行具体概述,水浮力是指水流自身产生的承载力与起伏力,水浮力会根据上方承载物体属性、体积、质量的不同,而产生不同的浮力效果。但不变得使水浮力始终保持“浮力”的存在产生。例如：皮球、木头、石头三者导致不同的水浮力产生,本文以坝底水浮力为研究对象。坝底水浮力与建筑工程中的地下水浮力不同,地下水由于水流过缓、且对建筑物本身冲击力较弱。基于工程抗浮力、抗水压的重要性。坝底水浮力在水压、水流量等都远大于地下水浮力。所以,基于坝底水流、水压等实际情况,按照水浮力计算公式,对其坝底水浮力进行精确计算。具体如下：水浮力计算公式F=PGH；F=水的浮力；P=液体的密度；g=重力常数是9.8kg/N,一般取10kg/N；h=液柱的垂直高度。另外,坝底水浮力可以对重力坝上方水压造成起伏影响。这种起伏影响决定重力坝对水流的阻止力,并使重力坝靠自身自重产生的抗滑力逐渐下降[1]。

2 现阶段我国重力坝概述与发展现状

2.1 重力坝概述

随着我国水利工程建设水平逐渐提升,治理水患与保障生产一直我国重点稳定战略发展之一。其中,重力坝对防止水患产生与控制洪水泛滥起到极为重要的保障作用。重力坝多为砼或浆砌石施工成形阻水性建筑物,重力坝整体剖面为直角三角形结构,由若干坝段结构组合成坚固整体。重力坝主要体现在水流压力与相对因素荷载作用下,采用依附该坝体自身重量形成的抗滑力满足其稳定安全需求。同时,依附该坝体自身重量形成的压力来抵消来自水压力所产生的拉应力,进而满足强度需求[2]。在水流压力与相关因素外荷载作用下,还是依附重力坝自身重量来保持稳定平衡。其断面基本呈三角形,筑坝材料多为为混凝土及浆砌石。据统计,世界各国在修建大坝时,重力坝在其建设、修筑的坝体中占据较高的比例范畴。在中国的坝工建设中,混凝土重力坝占据极大比例,在30座高150m以上的高坝中,混凝土重力坝就有20座。

2.2 我国重力坝发展现状

现阶段,我国重力坝建设投入较为完善,其覆盖范围相对较大。从长江三峡、都江堰水电站、两家人水电站等都建有诸多重力坝保障设施。从大禹治水时代开始,水患一直是困扰我国发展建设与民族融合的重要影响因素。1998年“抗洪抢险”中中央领导充分认识到“重力坝”的重要性与意义性。基于长期发展角度考虑,新时期以来,我国大力投入重力坝工程建设,并对影响重力坝的诸多因素进行研究分析。如水流水压、水浮力、地理地貌、地质、水质环境等。因此,未来我国重力坝发展将更为实用化、现代化、效率化[3]。

3 坝底水浮力对重力坝稳定性的影响分析

3.1 加强优化抗浮设计

在重力坝设计阶段应该针对坝底水浮力的影响性,针对性的加强抗浮设计。具体如下：第一、应该对重力坝底部进行“单元格”式设计。即将重力坝底部进行若干结构单元进行有效抗浮,该设计理念满足抗浮验算标准。第二、重力坝主体设计应该采用“桩”核心基础设计,并加注钢筋混凝体结构,使坝底地基坚固稳定。第三、在重力坝地基设计时应加大其地基深度,按照水流冲击、水压程度、浮力情况等进行精确验算,保障其地基深度的合理性、牢固性。

3.2 施工阶段的抗浮对策

坝底水浮力对重力坝稳定性造成影响主要体现在水浮力的“程度性”,这种程度性涉及问题因素较多,具有较大的不确定性、易变化性等。因此,在具体施工阶段应该采用抗浮锚桩协助抗浮。抗浮锚桩在重力坝施工中有其较大的应用空间。对“大面积、大范围、大水域”都有其应用优势,当坝底水压较大时可以采用“分布式抗浮锚桩”,该施工方法较为简单、抗浮效果较好,且经济实用无需大量成本投入[4]。

3.3 高、低水位的抗浮力优化措施

第一、针对高水位区域中的重力坝施工,应该从其地基入手。考虑水下环境与水质、地质的复杂性。在该重力坝地基施工设计时应将侧重点放在抗浮稳定方面,而不是地基的承载力。建议运用抗拔桩、抗浮锚桩并加覆土等方式进行抗浮的优化方案。第二、在抗拔桩、抗浮锚桩运用时一定要做好“拔与压”的双向受力验算。并对坝底水浮力进行精准计算,保障其数值的准确性与合理性。第三、针对低水位区域中的重力坝施工,应该对其投入的抗浮覆土与坝底水浮力按照内摩擦角(直角三角形)截面进行抗浮力计算。将抗拔桩、抗浮锚桩尽量布置在重力坝底部桩体、墙面处,保障其抗拔桩、抗浮锚桩可以均匀受力,起到相对的抗浮效果[5]。因此,从重力坝稳定性、安全性角度来讲坝底水浮力的影响性尤为重要。而高、低水位区域则出现差异化较大的坝底水浮力效果。在具体实际的重力坝施工建设中,应该对建设施工水域进行充分了解,对相关数据信息做到精准、客户、合理掌握,进而为重力坝施工建设的全面抗浮作用发挥奠定基础。

4 结论

综上所述,坝底水浮力对重力坝稳定性影响颇大。本文通过对水浮力、重力坝分别进行具体概述,并针对我国重力坝发展现状进行针对性抗浮分析,将问题的实质性、影响性、应对性进行充分阐述,并提出相关优化意见,为我国重力坝施工建设的顺利开展奠定坚实基础。