高等水工結(jié)構(gòu)-我國水工優(yōu)化設(shè)計的新成就和新途徑

1、我國水工優(yōu)化設(shè)計的新成就和新途徑建國以來， 我國興建了大量水利水電工程， 積累了豐富的水工設(shè)計經(jīng)驗。近年來又借鑒了不少國外先進(jìn)經(jīng)驗。我國水工設(shè)計水平甚益提高，取得不少優(yōu)化設(shè)計的新成就?，F(xiàn)就我國水工優(yōu)化設(shè)計問題概述于后。一 我國水工優(yōu)化設(shè)計的新成就(一)優(yōu)選壩址和埂線選定壩址是水工設(shè)計中的戰(zhàn)略性決策問題， 我國一向十分重視 在充分掌握地質(zhì)條件的前提下，經(jīng)多種方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較而選出的壩址， 多數(shù)是優(yōu)越的 例如水口水電站的下濮壩址、東江水電站拱壩壩址、三峽三斗坪壩址等，都是我國優(yōu)選壩址的范例。有時選出的壩址地質(zhì)比較復(fù)雜， 甚至有重大地質(zhì)問題， 剛應(yīng)以相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計方案加以適應(yīng) 例如長江葛洲壩樞紐建于

2、有嚴(yán)重軟弱夾層的壩址、壩高165m的烏江渡重力拱壩建于巖溶十分發(fā)育的壩址 均取得了適應(yīng)地質(zhì)條件優(yōu)化設(shè)計的成功經(jīng)驗壩線的優(yōu)化也是水工優(yōu)化設(shè)計自 重要步驟 特別對拱壩更為重要 例如緊水灘拱壩壩線適當(dāng)下移， 避開了地質(zhì)不利結(jié)構(gòu)面從而保證了工程的順利進(jìn)行。（二）優(yōu)選壩墅我國河啻i(洪水流量大，在已建高壩中混凝土壩較多 在混凝土壩壩型優(yōu)化方面，大量采用了拱壩壩型。我國已建成壩高l57m的東江雙曲薄拱壩：在壩頂長與壩高之比為45的寬河谷上建成了壩高1495m的白山三心圓拱重力拱壩； 在地質(zhì)條件復(fù)雜的埂址上建成了高l65m的烏江渡和高l 78m的龍羊蛺二座重力拱壩， 均屬我國近年來取得的新成就 現(xiàn)已開始興建

3、的153m高的東風(fēng)雙曲薄拱壩和240m高的二濉拱壩， 經(jīng)優(yōu)化均采用了比較扁平的拋物線拱雙曲拱壩 可以兼顧壩肩穩(wěn)定和壩體應(yīng)力的要求， 從而可得到顯著的經(jīng)濟(jì)效益。李家蛺水電站地質(zhì)較差， 壩型經(jīng)優(yōu)化選甩較薄的三心圓拱單曲拱壩， 可較原考慮的較厚拱壩節(jié)約上億元的投資，工期可提前一年。此外，鳳灘水電站采用了空腹重力拱壩壩型，將發(fā)電廠房和泄洪建筑物均兼容于壩體內(nèi)，是世界上比較獨特的壩型，雖然施工比較復(fù)雜， 但可大量節(jié)約工程量 并以較短的工期建成。為了優(yōu)化重力壩，我國還修建了不少空腹重力壩，其中楓樹壩和牛路嶺二座空腹重力壩壩高近百米，空腹尺寸也較大，廠房布置于空腹內(nèi)，在世界上也屬先進(jìn)水平。碾壓混凝土壩其有快

4、速施工 節(jié)約水泥 簡化溫控等優(yōu)點 我國已在大力攻關(guān)、試點 在福建建成了壩高568m的坑口碾壓混凝土重力壩，并將在銅街子、抄溪口、巖灘等大壩上部分采用碾壓混凝土 巖灘碾壓混凝土圍堰高543m ，最大日填筑強(qiáng)度達(dá)8l8988 日上升高度超過15m，堰體月上升高度達(dá)到2530m， 月填筑強(qiáng)度達(dá)到76333m ，混凝土的水泥用量3545kgm ，摻粉煤灰lOOkg左右，為這種壩型的選甩開創(chuàng)了誘人的前景。我國具有比較完善的重力壩和拱壩的優(yōu)化程序，可以根據(jù)工程的具體條件得出壩體最優(yōu)體型東江拱壩對壩縫灌漿系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，采用造孔式雙回路系統(tǒng)，簡化了工藝提高了灌漿的質(zhì)量，減少了堵塞事故。土石壩壩型對壩址地質(zhì)條

5、件的適應(yīng)性較強(qiáng)，在技術(shù)，經(jīng)濟(jì)上都具有較大的潛力，將是我國今后大力發(fā)展的壩型 我國已成功地建成了各種類型的土石壩。壩高l 038m的魯布革土石壩利用軟巖風(fēng)化料做防滲體，獲得良好的效果，為土石壩防滲料新料源創(chuàng)造丁經(jīng)驗。鋼筋混凝土面板堆石壩有很多優(yōu)點，是一種很有競爭力的壩型，已在我國不少中小型工程中采用。關(guān)門山和成屏面板堆石壩已建成蓄水； 壩高1o5m 的西北口面板堆石壩已基本建成， 獲得不少經(jīng)驗。天生橋一級水電站大壩高180m 已決定采用這種壩型， 目前，正針對其關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行攻關(guān)研究?，F(xiàn)已取得一批可喜的研究成果。(三)壩基開挖設(shè)計的優(yōu)化我國過去對壩基開挖要求偏嚴(yán)， 近年來已有所改變。l gB5

6、年頒發(fā)的混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范補(bǔ)充規(guī)定已放寬了壩基巖石利用標(biāo)準(zhǔn)。壩高240m的二灘拱壩， 根據(jù)實際地質(zhì)條件，經(jīng)深入研究論證，并經(jīng)國外專家咨詢， 決定利用偏微風(fēng)化的弱風(fēng)化巖體做壩基。并允許下游面部分壩基放在偏強(qiáng)風(fēng)化非卸荷的弱風(fēng)化巖體上， 較按我國拱壩設(shè)計規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)其開挖量太幅度減少。此外， 水口、巖灘等工程的壩基開挖設(shè)計也做了優(yōu)化， 減少了開挖工程量(四)壩基處理設(shè)計的優(yōu)化在弱透水巖基內(nèi)進(jìn)行帷幕灌漿往往吃漿很少， 所起作用不太。魯布革大壩經(jīng)研究論證，決定不按單位吸水率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行帷幕灌漿 而只對帷幕鉆孔探查到的重要裂煦區(qū)進(jìn)行灌漿， 并將帷幕鉆孔由雙排改為單排， 河床段帷幕鉆孔深度減少了2gm。水口

7、壩基為完整的花崗巖。原設(shè)計為兩排灌漿帷幕， 并對大部分壩基進(jìn)行周結(jié)灌漿。經(jīng)設(shè)計優(yōu)化改為一排帷幕， 并減少壩基周結(jié)灌漿范圍， 節(jié)約投資200余萬元。東江拱壩壩基存在壩前斷裂F，及F ， 距壩踵gl oom。國外對這類斷層曾采取復(fù)雜的處理措施 東江拱壩從實際地質(zhì)情況出發(fā)， 經(jīng)大量的科學(xué)研究和分析計算， 決定不進(jìn)行專門的處理。經(jīng)運行證明， 設(shè)計決定是正確的。銅街子水電站壩基地質(zhì)十分復(fù)雜，存在左 右兩個深槽及玄武巖層間錯動帶。左深槽覆蓋層深7O余米， 并有厚2O余米的細(xì)砂層。槽壁陡峭， 呈葫蘆形。設(shè)計采用兩道混凝土防滲墻封閉深槽， 為了解決槽內(nèi)細(xì)砂層液化問題，在堆石壩壩基范圍， 用75kW大功率振沖器

8、穿透漂卵石層對細(xì)砂層進(jìn)行振沖樁加固處理。對玄武巖層間錯動帶C 的處理，以往多次研究選用深齒槽處理方案， 齒槽深達(dá)28m， 施工十分困難。后經(jīng)設(shè)計優(yōu)化， 采用高壓旋噴水泥灌漿置換C中泥化物的方案。旋噴水壓力3oMPa，經(jīng)用im直徑大口徑鉆機(jī)鉆孔檢查效果良好(五)消能肪沖設(shè)計的優(yōu)化近年來我國在解決高水頭大流量泄洪的消能防沖方面有不少新進(jìn)展。高壩泄洪， 我國多采用挑流消能方式。在窄峽谷壩址， 發(fā)展了將泄洪水流縱向拉開、橫向適當(dāng)擴(kuò)散， 并封堵回流的消能設(shè)計原則 根據(jù)試驗研究成果設(shè)計出多種鼻坎形式， 以控制挑流水舌的出流方向、落點等要求。龍單峽水電站泄洪落差大、下游河道窄 抗沖能力差， 解 消能防沖問題

9、難度極大。經(jīng)設(shè)計優(yōu)化，合理布置了各種泄洪建筑物，配以各種形式的挑流鼻坎(曲面貼角窄縫式鼻坎、陡拐斜坎鼻坎 曲面轉(zhuǎn)折擴(kuò)散斜鼻坎等)，大大降低了沖坑深度，輔以岸坡防護(hù)工程，解決了這個難題。烏江渡 東江等工程也以類似的方式取得了泄洪消能防沖設(shè)計的成功經(jīng)驗。風(fēng)灘空腹拱壩從壩頂宣泄20400m ,Is設(shè)計洪水 采用高低坎太差動挑流消能工， 挑流水舌在空中摻氣對撞、分散落水， 消能效果良好， 沖坑深度減少百分之50 中水頭太單寬流量的消能防沖問題， 當(dāng)下游抗沖能力低耐，解決起來也很困難 安康五強(qiáng)溪等工程都遇到此類問題。經(jīng)多年研究優(yōu)化安康和五強(qiáng)溪水電站均采用了聯(lián)合消能工的消能方式， 形成三元水躍， 提高消能

10、效果。五強(qiáng)溪采用寬尾墩一底孔一消力池聯(lián)合消能工， 設(shè)計單寬流量達(dá)285ms， 較原設(shè)計方案縮短溢流前沿24m， 并縮短了護(hù)坦的長度此外， 我國混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范樸充規(guī)定降低了消能舫沖的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)， 為設(shè)計優(yōu)化提供了依據(jù)(六)防空蝕設(shè)計的優(yōu)化防止高速水流的空蝕作用是泄洪建筑物設(shè)計的又一重大課題。過去主要靠選擇合理的過流體形、嚴(yán)格控制過流表面平整度、采用抗磨材料等措施解決。近年來我國廣泛采用摻氣磺蝕措施， 取得了防空蝕優(yōu)化設(shè)計的新經(jīng)驗 馮家山、烏江渡、白山等工程采用摻氣減蝕措施， 不僅可以大大降低不平整度的控制標(biāo)準(zhǔn)，簡化施工，并大大提高了防空蝕的可靠性(七)岸邊濫洪道離邊被設(shè)計的優(yōu)化開挖岸邊溢

11、洪道常發(fā)生高邊坡穩(wěn)定問題。過去多以放緩開挖坡度增加邊坡穩(wěn)定。然而往往開挖坡度愈緩，邊坡愈高，穩(wěn)定問題愈大，形成惡性循環(huán)。近年吸取國外先進(jìn)經(jīng)驗， 在很多情況下可采取垂直邊坡開挖，靠預(yù)裂爆破、及時噴錨、排除地下和地表水、對不穩(wěn)巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行必要的加固處理等措施保證邊坡穩(wěn)定。魯布革岸邊濫洪道采用垂直邊坡開挖，比碌設(shè)計1：03邊坡最大坡高由105m減少到75m，開挖量由88萬m減少至60萬m 水口水電站辭也采用了垂直邊坡開挖。(八)引水蠢筑物設(shè)計的優(yōu)化岸邊引水洞不太長時， 采用單機(jī)單洞布置較易適應(yīng)地質(zhì)條件，可避免岔管、蝴操閿?shù)葟?fù)雜結(jié)構(gòu)，并?？刹辉O(shè)調(diào)壓井。采用地下廠房時，宜盡量縮短壓力引水洞段， 相應(yīng)加

12、長尾水嗣段 自山、二灘、天生橋一級等水電站的引水系統(tǒng)均按此原則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。白山水電站右岸布置3條單機(jī)引水洞， 為了減少進(jìn)水口的開挖量， 3個進(jìn)水El采用倒品字形布置， 其后引水洞幅射放開。=灘兩條尾水洞，其中一條是利用導(dǎo)流嗣段改建的， 并允許該洞短時出現(xiàn)明滿流過渡流態(tài)。壩身引水建筑物的優(yōu)化如： 東江、緊水灘等拱壩成功地采用了壩后背管。這種引水管道布置可減少與壩體施工的干擾， 有利于加快施工進(jìn)度 壩后背管按鋼襯鋼筋混凝土設(shè)計， 允許外包混凝土開裂。根據(jù)東江水電站的研究釩襯約承擔(dān)50 水壓力。東江、緊水灘等雙曲拱壩上游面向下游傾斜， 進(jìn)水日布置斜面式門槽，可避免直立式門槽進(jìn)水El外仲很長的閘墩，

13、 改善應(yīng)力條件， 節(jié)約投資(九)地下洞宣襯護(hù)設(shè)計的優(yōu)化過去多以圍巖壓力作為荷載進(jìn)行地下洞室襯翻設(shè)計， 比較保守 近年來殫j考慮國巖自身承載能力， 廣泛采用噴錨做永久支護(hù)。對個別不穩(wěn)巖體進(jìn)行個別處理；對比較破碎、軟弱圍巖則以噴錨為臨時支護(hù)， 而永久支護(hù)剮考慮臨時支護(hù)的作用設(shè)計為復(fù)合式樹砌。這樣進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計大大節(jié)約了投資， 加快了工期 例如魯布革主廠房洞室頂拱跨度為l9m，采用噴錨支護(hù)， 較混凝土襯砌不僅減少了開挖量，還節(jié)省混凝土約22萬m ，鋼材11 OOt和大量術(shù)材。引灤工程中大黑汀隧洞，斷面64557m。，個別嗣段圍巖普氏系數(shù)，=I2，采用復(fù)合襯砌，初期(臨時)支護(hù)采用噴錨， 二次(永久)

14、支護(hù)為50era厚單筋混凝土襯砌。白山水電站地下主廠房長1215m、跨度25m、高54m， 采用噴錨作為永久支護(hù)。主廠房下游邊墻與主變壓器嗣上游邊墻之間為厚僅165m的巖墻， 其間有7條洞穿過，并有對高邊墻穩(wěn)定很不利的斷層通過。由于采用預(yù)應(yīng)力錨索、長錨桿、噴錨、錨洞以及合理的開挖程序和先進(jìn)的開挖工藝等措施， 因而l捉功地解決了該工程的下游高邊墻穩(wěn)定問題(十)地下廠房設(shè)計的優(yōu)化地下廠房設(shè)計的優(yōu)化包括： 合理選擇地下廠房洞室韻位置、主廠房軸線方向， 及洞室的布置等。我國許多大型地下廠房如白山、魯布革、二灘等工程在這些方面都進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化， 在很復(fù)雜的巖層中選出最傀廠房位置； 廠房軸線方向與主要地質(zhì)

15、斷裂方向有較大的交角， 并與最大地應(yīng)力方向盡量一致， 為廣麂系統(tǒng)圍巖穩(wěn)定提供最有利 條件； 魯布草水電站地下廠房布置采用斜向進(jìn)水， 連同采用巖壁吊車粱等措施， 使廠房跨度由原設(shè)計的24m縮窄至l8m。我國水工優(yōu)化設(shè)計的成就是很多的 以上列舉情況遠(yuǎn)不能全面概括二、進(jìn)一步優(yōu)化水工設(shè)計的途徑(一)采用先進(jìn)臺理的樞紐布置采用先進(jìn)合理的樞紐布置方案對水工設(shè)計的優(yōu)化具有重要意義樞紐布置方案應(yīng)適應(yīng)地質(zhì)、地形、水文等條件。由于與地質(zhì)條件不相適應(yīng)造成工程失利或保守浪費的例子是不少的。在樞紐布置中還應(yīng)積極采用國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗和科研成果。要特別重視泄洪消能布置的優(yōu)化(二)發(fā)晨和推廣折壩型混凝土面板堆石壩和碾壓混凝

16、土壩具有造價低， 建設(shè)速度快的優(yōu)點， 潛力很大， 應(yīng)大力發(fā)展，在條件適宜的壩址應(yīng)積極推廣采用。面板堆石壩施工并不十分復(fù)雜， 但必需嚴(yán)格按設(shè)計要求施工，嚴(yán)格對料源的控制，提高施工工藝水平， 進(jìn)一步改進(jìn)面板細(xì)部結(jié)構(gòu)， 解決好面板與岸坡的可靠聯(lián)結(jié)問題。碾壓混凝土壩在我國尚處于試點階段，有待大力發(fā)展。今后應(yīng)在吸取國外先進(jìn)經(jīng)驗的同時， 結(jié)合我國的具體條件， 不斷創(chuàng)造新的經(jīng)驗， 改善施工工藝， 提高填筑層間的抗剪能力， 同時簡化壩體結(jié)構(gòu)，搞清溫控要求， 為發(fā)展我國百米以上的碾壓混凝土重力壩而努力。其他當(dāng)?shù)夭牧蠅魏突炷翂稳詰?yīng)繼續(xù)發(fā)展和優(yōu)化 對當(dāng)?shù)夭牧蠅沃尾牧弦虻刂埔耍?就近取材， 充分利用開挖料 拱壩

17、應(yīng)發(fā)展比較扁平拱的體形， 如三心圓拱、拋物線拱、螺旋線拱等體形， 以適應(yīng)壩肩穩(wěn)定的要求，盡量減少基礎(chǔ)處理工程量。(三)盡量堿少壩基和岸壤的開挖在保證安全的條件下， 盡量減少壩基和岸坡的開挖是水工優(yōu)化設(shè)計的重要途徑。過量的開挖不僅增大開挖和回填混凝土工程量， 而且可能引起不良后果， 產(chǎn)生新的卸荷松馳帶， 引起岸坡失穩(wěn)等，對安全和經(jīng)濟(jì)效益都很不利。因而應(yīng)盡量用適當(dāng)?shù)奶幚砘蚣庸檀胧┐娲罅块_挖。對壩基開挖要正確估計裂隙風(fēng)化巖體的承載能力和加固處理的效果； 對岸坡及洞臉開挖要盡量做到早進(jìn)洞、晚出洞， 降低開挖邊坡的高度， 并采用預(yù)裂爆破， 及時噴錨、加強(qiáng)排水等措施，盡可能實現(xiàn)高邊坡垂直開挖。(四)、充

18、分考慮圍巖的承載能力， 憂化地下洞室的襯護(hù)設(shè)計盡量利用噴錨支護(hù)代替塑?；炷烈r砌。對于需要進(jìn)行混凝土襯砌的洞室， 也要充分考慮圍巖的自穩(wěn)能力和彈性抗力， 合理確定襯砌的荷載條件 對在雄厚山體中的壓力隧洞，應(yīng)采用先進(jìn)合理的設(shè)計假定， 匕上素混凝土薄襯砌為主， 盡量以鋼筋混凝土襯砌或預(yù)應(yīng)力素混凝土襯砌代替鋼板襯砌， 以縮短鋼板襯砌段的長度。對于局部不穩(wěn)巖體或穩(wěn)定性差的洞段進(jìn)行各別處理。在進(jìn)行永久支護(hù)時應(yīng)考慮臨時支護(hù)的作用。(五)采用先進(jìn)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)我國有些水工設(shè)計規(guī)范已頒發(fā)多年。隨著技術(shù)的進(jìn)步和工程經(jīng)驗的積累， 有些規(guī)范條文顯得落后了，需進(jìn)行修改補(bǔ)充。I 985年頒發(fā)了混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范SDJ2l一78(試行)補(bǔ)充規(guī)定， 收到很好的效果。最近正準(zhǔn)備對水利水電樞紐工程洪水標(biāo)準(zhǔn)及其他L 些水工設(shè)計規(guī)范做部分補(bǔ)充修改 今后還應(yīng)消化吸收國外先進(jìn)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) 結(jié)合我國條件加以采納。根據(jù)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額司的統(tǒng)一部署， 正在編制水工結(jié)構(gòu)