混凝土重力坝结构设计

黄庭昌

韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司广东韶关512000

摘要：文章介绍了某水库进行混凝土重力坝建造工程的设计过程，通过认真研究坝型、枢纽布置和坝体结构，从坝型选择、枢纽建筑物布置、坝体结构设计、坝基施工处理等方面入手，并经过详细计算优化，得出了最满足工程要求的结构设计方案，供相关人员参考借鉴。

关键词：水库；混凝土重力坝；结构布置；施工设计

混凝土重力坝以其良好的整体性和高强度、密实性好的筑坝材料，能够给水库坝体带来良好的防渗效果和适应各种地形地质条件的能力，越来越广泛应用于水利工程建设中。本文通过研究分析混凝土重力坝的结构设计，以达到安全、经济、适用、实用的目的，保证工程的顺利建成，发挥水库枢纽兴利除害的作用，更好地服务于社会，造福一方百姓。

1工程概况

某水库位于河道上游河段，水库任务以灌溉、供水为主，设计灌溉面积820亩，设计总库容24.6万m3，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）第2.1.1款的规定，水库总库容大于0.001亿m3小于0.01亿m3，灌溉面积小于5000亩，工程为小（2）型水库，工程等别V等。

2坝址地形地质条件

坝址地形为不对称的“V”型河谷，两岸坝肩岸坡较缓，边坡稳定，坝肩岸坡岩体出露，分别为白云岩：灰色，岩质较硬，岩石完整，岩芯柱状；泥质白云岩：灰色，岩质较硬，岩石较完整，岩芯呈块状和短柱状；紫色薄层泥岩：岩质较软，岩石较完整，岩芯呈块状和短柱状。根据钻探情况：河床第四系覆盖层为淤泥、红粘土，厚度0-13.4m；出露基岩表层为强风化，岩石较破碎，岩芯采取率较低，渗透性强；下部弱风化岩石较完整，但受构造的影响，存在一定的节理裂隙；大坝拟建于弱风化层上，坝基和坝肩须进行防渗帷幕灌浆处理。

3混凝土重力坝结构布置

3.1坝址选择

经地质资料勘察及钻孔资料分析，坝址选在下图中所示的不对称的“V”型河谷中。两岸坝肩岩体出露，坝基覆盖层约3米，较薄，清除覆盖层后，大坝建于弱风化层上，坝基和坝肩进行防渗帷幕灌浆处理。

3.2混凝土重力坝枢纽平面布置

从坝址区的地形地貌和地质情况看，清除覆盖层后坝址区基岩出露，岩性以白云岩和泥质白云岩为主，左坝肩上部约300m处有白云质灰岩和灰岩出露，根据坝址区地形地质条件，适宜修建混凝土重力坝。同时，可以在坝上修建溢流面，充分利用混凝土重力坝坝身泄洪的优点。水库大坝枢纽由混凝土重力坝、大坝中部溢洪道、右岸取水兼放空管等组成，枢纽平面布置如图1所示。

图1混凝土重力坝枢纽平面布置

3.3主要水工建筑物设计

3.3.1挡水建筑物

大坝为混凝土重力坝，大坝坝轴线如上图所示，其坝顶高程1273.5，坝顶宽5m，坝底宽31.0m，最大坝高29.2m。右岸非溢流坝段桩号从0+000―0+051.5，溢流坝段0―072.5.0―0+080.5；左岸非溢流坝段0+080.5―0+116.933，两岸非溢流坝段总长106.933m。上游坝坡从1273.5m至1259m为垂直段，1259m至1246.5m为1：0.2；下游坝坡从1273.5m至1270.74m为垂直段，1270.74m至1246.5m为1：0.8。上游侧为C20W6防渗混凝土，防渗墙厚度按1/20―1/30倍水头考虑，防渗墙底厚1.5m，顶厚0.5m，防渗墙嵌入基岩1―1.5m，坝体内部采用C10埋石混凝土（埋石体积率20%）。为降低坝基扬压力，在防渗帷幕的下游2.5m处设置坝基排水。

3.3.2溢洪设施

溢洪设施布置于大坝中部，为坝体的溢流坝段，其桩号为0+072.5―0+80.5.设1个表孔，表孔宽度5m，堰顶高程1271.5m，边墩厚1.5m，溢流前沿宽5m。溢流堰采用曲线型实用堰，堰面方程为y=0.362x1.85。坝顶设交通桥，堰面采用1：0.8的斜坡相连，反弧半径R=7m，出口采用挑流消能，挑流鼻坎最低点高程1256.16m，挑流鼻坎高程1257.00m，挑角20°最大下泄流量为12.8m3/s。为防止水流对溢洪道的冲刷，使溢洪道能满足抗冲要求，溢洪道溢流面板采用C20钢筋砼现浇，挑流段至消力池底板。开挖到设计高程后，在基岩面上现浇C20砼防冲，每隔10m设一沉降缝；导水边墙采用C20钢筋混凝土浇注，溢洪道总长22m。

3.3.3取水兼放空管

取水口位于坝体右侧，取水口坝轴线桩号为0+36.5，取水口底板高程为1259.21m，取水型式为坝内埋管，取水管管径为Φ800，坝内埋管管长35m，在取管进口设置拦污栅及检修闸门，取水管出口设Φ800工作闸阀。

放空冲砂底孔布置在坝体中部，冲沙底孔坝轴线桩号为0+51.5，冲沙底孔进口底板高程为1258.00m，闸门井型式为塔式，进口设一道检修钢闸门和一道工作钢闸门，闸门井外包C20钢筋砼（尺寸6×6m）。底孔断面型式为矩形，孔口尺寸1.0×1.0m（b×h），底孔采用C20钢筋混凝土浇注，C20钢筋混凝土厚0.5m，全长35m，最大冲沙流量2.8m3/s。4混凝土重力坝结构优化设计计算

4.1大坝坝顶高程

该水库设计标准（P=0.5%）洪水位为1272.6m，最大下泄流量12.8m3/s，校核标准（P=5%）洪水位为1272.3m，最大下泄流量8.28m3/s，水库总库容24.6万m3。根据来水及用水调节计算，水库正常高水位1271.5m，溢流堰顶高程与正常高水位一致为1271.5m，设计洪水位1272.3m，校核洪水位1272.6m。计算风速正常情况取W=21m/s，校核情况取W=14m/s，计算吹程D=300m，坝顶高程按正常运用情况和非常运用情况分别计算得坝顶高程成果如表1所示。

表1坝顶高程计算成果表

表1可知，校核洪水位情况下防浪墙顶高程为1274.1m，设计洪水位防浪墙顶高程为1274.5m。根据规范坝顶高程不低于校核洪水位1273.1m，经比较，取坝顶高程为1273.5m，防浪墙顶高程为1274.7，防浪墙高1.2m。防浪墙采用C10砼，顶宽0.5m，底宽0.5m，总长为117.0m。

4.2大坝坝体结构稳定计算

大坝筑坝材料为埋石混凝土，容重2.35t/m3，由于地质报告分析不存在深层构造软弱带，因此坝体抗滑稳定主要分析坝体沿坝基接触面的抗滑问题。采用刚体极限平衡法进行稳定性分析，计算成果如表2所示。

表2大坝坝体结构稳定计算成果

表2可知，大坝稳定计算安全系数均大于规范要求的1.05要求，坝体应力不会发生塑性破坏，坝体抗滑稳定满足要求。

4.3坝体帷幕灌浆防渗处理

坝基及坝肩渗漏主要是风化层及岩体裂隙产生的渗漏。根据钻孔压水试验情况，应对坝基及坝肩一带进行防渗处理。

根据坝区渗漏的具体情况、岩性及钻孔压水试验成果，建议帷幕线左坝肩沿坝址至右坝肩布置，左坝肩沿长15m，右坝肩沿长15m。单排布孔，两坝肩终孔间距为3m，坝基段终孔间距为2m，终孔间距为1.5m，坝基帷幕深度以达到弱风化层内吕荣值不大于8Lu为限，左、右坝肩帷幕以穿过强风化层吕荣值不大于10Lu为下限，部分地段以岩性控制帷幕下限。设计帷幕线沿坝轴线方向布置，左坝肩延伸15m，右坝肩延伸15m，设计帷幕线长120m，单排布孔，两坝肩终孔间距为3m，坝基段终孔间距为2m，在断层破碎带终孔间距为1.5m，排距为3m，设计布孔60个，另设6个检查补强孔（未计入工程量），合计进尺2079m，基岩灌浆1933m。造孔和灌浆分三序次进行，一序孔终孔间距为12m，二序孔终孔间距为6m，三序孔终孔间距为3m，灌浆采用自上而下，分段灌注的方法，段长为5m，并采用孔底循环的方式。灌浆材料基岩选用425#普通硅酸盐水泥进行灌注，当吸浆量较大，超过规定值时可加少量水玻璃或细砂。整个灌浆工艺应符合《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》DL/T5148-2001。孔口压力表，控制在0.4～0.6MPa，当单位吸浆量较小时，可采用一次加压，或让其自行升压，如由于压力较大，而出现地表冒浆，孔口返浆或单位吸浆量突然增大等情况，则适当降低压力，压力达到设计值后，当注入率不大于0.4L/min，持续60分钟不变，则可结束灌注。

5施工经验总结

结合工程特性，经现场踏勘和计算分析，优化设计获得安全、经济、适用、实用的设计方案。

（1）经多方面分析，结合坝址地形地质条件，本工程坝址适宜修建混凝土重力坝。

（2）根据坝址地形地质条件，结合大坝建基面、工程区附近建筑材料及现场施工等因素，经设计方案的优化调整，水库枢纽总体布置方案为：C10埋石混凝土坝体（上游面层防渗混凝土）+坝面溢洪道、放空冲沙底孔+取水管道。大坝为砼砌毛石重力坝，最大坝高29.2m。

（3）溢洪道的曲线型实用堰，布置在坝体中部；坝内埋DN800钢管，取水口位于坝体右侧。

（4）经多次方案优化调整和抗滑稳定性计算复核，坝体各结构特性均满足设计规范要求，为工程安全可靠施工建设提供了重要技术指导。

6结语

综上所述，通过结构计算分析，并结合坝址区地形地质条件，工程区附近建筑材料及现场施工等因素分析，上述设计方案合理，建成后使其实现预期效益，发挥水库枢纽兴利除害的作用。

参考文献：

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[2]孙建生，侯爱民.重力坝廊道周边应力有限元分析[J].水力发电.2011（09）