混凝土重力坝设计要点分析

李阳

摘要：本文基于该水电工程的重力坝设计，针对混凝土重力坝的实际特点，对坝体的断面设计、稳定应力、施工温度应力以及温控防裂措施进行了简单分析，本文充分考虑当前先进的设计理论应用，分析科学合理的设计方法，探讨适合我国混凝土重力坝的设计方法，提高企业的经济效益。

关键词：重力坝;混凝土;设计

【中图分类号】TV6【文献标识码】A【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.34.048

1工程概况

目前，某水电站碾压混凝土址区多年平均降雨量1370.6mm，坝址多年平均流量1640m3/s，年均径流量517亿m3，实测最大流量16900m3/s，调查最大流量21500m3/s.河流泥沙以悬移质为主，多年平均输沙量4570万t，平均含沙量0.726kg/m3。本文针对混凝土重力坝的结构特点，参考该水电工程的成功案例，对坝体应力计算和承载能力、施工期间坝体温度应力分析以及温控防裂方法等进行了详细具体的研究，其主要研究方法共分为四个重要方面，分别为混凝土重力坝的应力分析和稳定应力分析，重力坝的温度应力分析，混凝土重力坝施工层面处理和快速施工以及高温多雨环境重力坝的设计方案。

2重力坝的断面设计和稳定应力分析

重力坝的设计要依据其具体的地形、地质、坝体布置以及施工条件等特点，重力坝的断面设计要遵循以下基本原则：

（1）在实际的设计过程中，坝体应力分布规律必须是合理的。一般重力坝体绝大部分区域均为压应力区，设计时应满足许用应力的要求。在坝踵、坝趾角点附近很小区域内存在张拉、剪应力集中区。设计时宜将重力坝的抗压安全系数区域控制在坝底宽的10%以下。

（2）采用材料强度储备法的研究结果表明：坝体稳定控制部位是建基面及附近的碾压混凝土层面，该部位稳定强度储备安全系数最小。各断面抗滑稳定安全系数K控制在3.0以上，稳定强度储备系数ξ应大于2.5，坝体具有相当的稳定安全储备。

（3）大坝动力分析表明，地震作用工况对大坝断面设计不起控制作用。大坝体型设计如果合理的，大坝将具有较好的抗震性能，但由于层间弱面的存在，坝踵和坝趾的应力集中程度的范围将有所恶化，需要给予充分重视。

3考虑施工期温度变化效应的碾压混凝土重力坝的设计思路

3.1碾压混凝土重力坝与常态混凝土重力坝的差异

目前，针对常态混凝土重力坝施工期温度变化效应的研究比较成熟，但由于碾压混凝土重力坝出现时间并不长，研究的系统性、深度相对不足，于是很多人习惯于采用常态混凝土重力坝的观点和方法来考虑碾压混凝土重力坝的设计问题，这就难免产生偏差，实际上碾压混凝土重力坝与常态混凝土重力坝在施工期温度变化效应方面有明显的差别，主要表现在以下3个方面：（1）碾压混凝土配用水泥较少，掺用大量粉煤灰，水化热较常态混凝土少，这是事实，但因主要采用通仓薄层快速浇筑方式，坝体内部热量不易散失，沿浇筑层高度方向温差大，恒温时间很长，例如某坝高140m的碾压混凝土重力坝经仿真分析，温度场稳定时间需在30年以上，所以同样温差条件下碾压混凝土重力坝内部温度应力比常态混凝土大。（2）碾压混凝土水泥含量少，抗拉强度和徐变较小，所以其抗裂能力较弱，再加上一般不设置纵缝和埋设冷却水管，施工期间更易出现表面裂缝和上游面劈头裂缝。（3）碾压混凝土重力坝在坝基上通常会浇筑2m厚的常态混凝土面板，以便停歇一段时间（如2个月）后进行基岩固结灌浆，该面板常出现贯穿性裂缝，并会向上扩展到碾压混凝土层，即使跨裂缝布设骑缝钢筋也难以避免。以上特点决定了碾压混凝土重力坝温控设计思路与常态混凝土重力坝不同。

3.2碾压混凝土重力坝施工期温度控制思路

基于碾压混凝土重力坝施工期温度变化效应，提出以下设计思路：（1）优化混凝土配合比，协调温度应力与混凝土抗拉强度关系。在满足混凝土强度、极限拉伸值、抗渗、抗冻等指标基础上，配制线膨胀系数小、弹性模量低、浇筑性能好、抗拉强度高的混凝土，例如增加Ⅰ级粉煤灰掺量，掺加高效缓凝减水剂和引气剂，以降低水胶比。合理选择的骨料级配，例如采用四级配混凝土，石子骨料按特大石：大石：中石：小石=2：3：3：2（最大粒径控制在120mm）配制，减少胶凝材料用量，可以简化温控措施，提高碾压层厚（采用50cm）和施工进度。（2）温控措施应结合混凝土浇筑计划，也就是根据混凝土浇筑时的温度变化、浇筑部位等情况采取相应的温控措施。年温变化较大的地区，碾压混凝土温度应力更大，所以应采取更严格的温控措施，反之则可采取较为宽松的温控措施。在大坝强约束和温度降幅大的部位，应采取更严格的温控措施，而在大坝次要部位和温度降幅小的部位，可采取相对宽松的温控措施。（3）温控措施应结合温控标准和温控对象。施工期混凝土约束应力主要呈现广泛分布状态，对混凝土自身缺陷较为敏感，所以温控标准要求更高，温控措施更加严格。同时针对不同的温控对象要有相应的温控措施，例如水闸底板闸墩以限裂设计为主导，而厂房进水口框架以抗裂设计为主导，这些情况不应等同于混凝土重力坝。（4）鉴于碾压混凝土重力坝施工期温度变化效应的复杂性，应结合大坝结构、施工过程、计算能力与精度要求，并且同时考虑温度、水压力和大坝自重三种负荷，采用有限元法计算大坝温度应力。

4结语

施工期温度变化效应是碾压混凝土重力坝设计工作中关键问题之一，而温控措施主要基于成本、质量、进度三方面考虑，然而无论采取哪种措施，各种措施的综合协调运用都是最重要的，只有综合坝型、材料、施工、环境等条件采取最有利的做法，才能确保大坝安全运行。

参考文献

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