高等水工结构-我国水工优化设计的新成就和新途径

1、我国水工优化设计的新成就和新途径建国以来， 我国兴建了大量水利水电工程， 积累了丰富的水工设计经验。近年来又借鉴了不少国外先进经验。我国水工设计水平甚益提高，取得不少优化设计的新成就。现就我国水工优化设计问题概述于后。一 我国水工优化设计的新成就(一)优选坝址和埂线选定坝址是水工设计中的战略性决策问题， 我国一向十分重视 在充分掌握地质条件的前提下，经多种方案技术经济比较而选出的坝址， 多数是优越的 例如水口水电站的下濮坝址、东江水电站拱坝坝址、三峡三斗坪坝址等，都是我国优选坝址的范例。有时选出的坝址地质比较复杂， 甚至有重大地质问题， 刚应以相应的优化设计方案加以适应 例如长江葛洲坝枢纽建于

2、有严重软弱夹层的坝址、坝高165m的乌江渡重力拱坝建于岩溶十分发育的坝址 均取得了适应地质条件优化设计的成功经验坝线的优化也是水工优化设计自 重要步骤 特别对拱坝更为重要 例如紧水滩拱坝坝线适当下移， 避开了地质不利结构面从而保证了工程的顺利进行。（二）优选坝墅我国河啻i(洪水流量大，在已建高坝中混凝土坝较多 在混凝土坝坝型优化方面，大量采用了拱坝坝型。我国已建成坝高l57m的东江双曲薄拱坝：在坝顶长与坝高之比为45的宽河谷上建成了坝高1495m的白山三心圆拱重力拱坝； 在地质条件复杂的埂址上建成了高l65m的乌江渡和高l 78m的龙羊蛱二座重力拱坝， 均属我国近年来取得的新成就 现已开始兴建

3、的153m高的东风双曲薄拱坝和240m高的二濉拱坝， 经优化均采用了比较扁平的抛物线拱双曲拱坝 可以兼顾坝肩稳定和坝体应力的要求， 从而可得到显著的经济效益。李家蛱水电站地质较差， 坝型经优化选甩较薄的三心圆拱单曲拱坝， 可较原考虑的较厚拱坝节约上亿元的投资，工期可提前一年。此外，凤滩水电站采用了空腹重力拱坝坝型，将发电厂房和泄洪建筑物均兼容于坝体内，是世界上比较独特的坝型，虽然施工比较复杂， 但可大量节约工程量 并以较短的工期建成。为了优化重力坝，我国还修建了不少空腹重力坝，其中枫树坝和牛路岭二座空腹重力坝坝高近百米，空腹尺寸也较大，厂房布置于空腹内，在世界上也属先进水平。碾压混凝土坝其有快

4、速施工 节约水泥 简化温控等优点 我国已在大力攻关、试点 在福建建成了坝高568m的坑口碾压混凝土重力坝，并将在铜街子、抄溪口、岩滩等大坝上部分采用碾压混凝土 岩滩碾压混凝土围堰高543m ，最大日填筑强度达8l8988 日上升高度超过15m，堰体月上升高度达到2530m， 月填筑强度达到76333m ，混凝土的水泥用量3545kgm ，掺粉煤灰lOOkg左右，为这种坝型的选甩开创了诱人的前景。我国具有比较完善的重力坝和拱坝的优化程序，可以根据工程的具体条件得出坝体最优体型东江拱坝对坝缝灌浆系统进行了优化，采用造孔式双回路系统，简化了工艺提高了灌浆的质量，减少了堵塞事故。土石坝坝型对坝址地质条

5、件的适应性较强，在技术，经济上都具有较大的潜力，将是我国今后大力发展的坝型 我国已成功地建成了各种类型的土石坝。坝高l 038m的鲁布革土石坝利用软岩风化料做防渗体，获得良好的效果，为土石坝防渗料新料源创造丁经验。钢筋混凝土面板堆石坝有很多优点，是一种很有竞争力的坝型，已在我国不少中小型工程中采用。关门山和成屏面板堆石坝已建成蓄水； 坝高1o5m 的西北口面板堆石坝已基本建成， 获得不少经验。天生桥一级水电站大坝高180m 已决定采用这种坝型， 目前，正针对其关键技术问题进行攻关研究。现已取得一批可喜的研究成果。(三)坝基开挖设计的优化我国过去对坝基开挖要求偏严， 近年来已有所改变。l gB5

6、年颁发的混凝土重力坝设计规范补充规定已放宽了坝基岩石利用标准。坝高240m的二滩拱坝， 根据实际地质条件，经深入研究论证，并经国外专家咨询， 决定利用偏微风化的弱风化岩体做坝基。并允许下游面部分坝基放在偏强风化非卸荷的弱风化岩体上， 较按我国拱坝设计规范要求的标准其开挖量太幅度减少。此外， 水口、岩滩等工程的坝基开挖设计也做了优化， 减少了开挖工程量(四)坝基处理设计的优化在弱透水岩基内进行帷幕灌浆往往吃浆很少， 所起作用不太。鲁布革大坝经研究论证，决定不按单位吸水率标准进行帷幕灌浆 而只对帷幕钻孔探查到的重要裂煦区进行灌浆， 并将帷幕钻孔由双排改为单排， 河床段帷幕钻孔深度减少了2gm。水口

7、坝基为完整的花岗岩。原设计为两排灌浆帷幕， 并对大部分坝基进行周结灌浆。经设计优化改为一排帷幕， 并减少坝基周结灌浆范围， 节约投资200余万元。东江拱坝坝基存在坝前断裂F，及F ， 距坝踵gl oom。国外对这类断层曾采取复杂的处理措施 东江拱坝从实际地质情况出发， 经大量的科学研究和分析计算， 决定不进行专门的处理。经运行证明， 设计决定是正确的。铜街子水电站坝基地质十分复杂，存在左 右两个深槽及玄武岩层间错动带。左深槽覆盖层深7O余米， 并有厚2O余米的细砂层。槽壁陡峭， 呈葫芦形。设计采用两道混凝土防渗墙封闭深槽， 为了解决槽内细砂层液化问题，在堆石坝坝基范围， 用75kW大功率振冲器

8、穿透漂卵石层对细砂层进行振冲桩加固处理。对玄武岩层间错动带C 的处理，以往多次研究选用深齿槽处理方案， 齿槽深达28m， 施工十分困难。后经设计优化， 采用高压旋喷水泥灌浆置换C中泥化物的方案。旋喷水压力3oMPa，经用im直径大口径钻机钻孔检查效果良好(五)消能肪冲设计的优化近年来我国在解决高水头大流量泄洪的消能防冲方面有不少新进展。高坝泄洪， 我国多采用挑流消能方式。在窄峡谷坝址， 发展了将泄洪水流纵向拉开、横向适当扩散， 并封堵回流的消能设计原则 根据试验研究成果设计出多种鼻坎形式， 以控制挑流水舌的出流方向、落点等要求。龙单峡水电站泄洪落差大、下游河道窄 抗冲能力差， 解 消能防冲问题

9、难度极大。经设计优化，合理布置了各种泄洪建筑物，配以各种形式的挑流鼻坎(曲面贴角窄缝式鼻坎、陡拐斜坎鼻坎 曲面转折扩散斜鼻坎等)，大大降低了冲坑深度，辅以岸坡防护工程，解决了这个难题。乌江渡 东江等工程也以类似的方式取得了泄洪消能防冲设计的成功经验。风滩空腹拱坝从坝顶宣泄20400m ,Is设计洪水 采用高低坎太差动挑流消能工， 挑流水舌在空中掺气对撞、分散落水， 消能效果良好， 冲坑深度减少百分之50 中水头太单宽流量的消能防冲问题， 当下游抗冲能力低耐，解决起来也很困难 安康五强溪等工程都遇到此类问题。经多年研究优化安康和五强溪水电站均采用了联合消能工的消能方式， 形成三元水跃， 提高消能

10、效果。五强溪采用宽尾墩一底孔一消力池联合消能工， 设计单宽流量达285ms， 较原设计方案缩短溢流前沿24m， 并缩短了护坦的长度此外， 我国混凝土重力坝设计规范朴充规定降低了消能舫冲的设计洪水标准， 为设计优化提供了依据(六)防空蚀设计的优化防止高速水流的空蚀作用是泄洪建筑物设计的又一重大课题。过去主要靠选择合理的过流体形、严格控制过流表面平整度、采用抗磨材料等措施解决。近年来我国广泛采用掺气磺蚀措施， 取得了防空蚀优化设计的新经验 冯家山、乌江渡、白山等工程采用掺气减蚀措施， 不仅可以大大降低不平整度的控制标准，简化施工，并大大提高了防空蚀的可靠性(七)岸边滥洪道离边被设计的优化开挖岸边溢

11、洪道常发生高边坡稳定问题。过去多以放缓开挖坡度增加边坡稳定。然而往往开挖坡度愈缓，边坡愈高，稳定问题愈大，形成恶性循环。近年吸取国外先进经验， 在很多情况下可采取垂直边坡开挖，靠预裂爆破、及时喷锚、排除地下和地表水、对不稳岩体结构面进行必要的加固处理等措施保证边坡稳定。鲁布革岸边滥洪道采用垂直边坡开挖，比碌设计1：03边坡最大坡高由105m减少到75m，开挖量由88万m减少至60万m 水口水电站辞也采用了垂直边坡开挖。(八)引水蠢筑物设计的优化岸边引水洞不太长时， 采用单机单洞布置较易适应地质条件，可避免岔管、蝴操阌等复杂结构，并常可不设调压井。采用地下厂房时，宜尽量缩短压力引水洞段， 相应加

12、长尾水嗣段 自山、二滩、天生桥一级等水电站的引水系统均按此原则进行优化设计。白山水电站右岸布置3条单机引水洞， 为了减少进水口的开挖量， 3个进水El采用倒品字形布置， 其后引水洞幅射放开。=滩两条尾水洞，其中一条是利用导流嗣段改建的， 并允许该洞短时出现明满流过渡流态。坝身引水建筑物的优化如： 东江、紧水滩等拱坝成功地采用了坝后背管。这种引水管道布置可减少与坝体施工的干扰， 有利于加快施工进度 坝后背管按钢衬钢筋混凝土设计， 允许外包混凝土开裂。根据东江水电站的研究钒衬约承担50 水压力。东江、紧水滩等双曲拱坝上游面向下游倾斜， 进水日布置斜面式门槽，可避免直立式门槽进水El外仲很长的闸墩，

13、 改善应力条件， 节约投资(九)地下洞宣衬护设计的优化过去多以围岩压力作为荷载进行地下洞室衬翻设计， 比较保守 近年来殚j考虑国岩自身承载能力， 广泛采用喷锚做永久支护。对个别不稳岩体进行个别处理；对比较破碎、软弱围岩则以喷锚为临时支护， 而永久支护剐考虑临时支护的作用设计为复合式树砌。这样进行的优化设计大大节约了投资， 加快了工期 例如鲁布革主厂房洞室顶拱跨度为l9m，采用喷锚支护， 较混凝土衬砌不仅减少了开挖量，还节省混凝土约22万m ，钢材11 OOt和大量术材。引滦工程中大黑汀隧洞，断面64557m。，个别嗣段围岩普氏系数，=I2，采用复合衬砌，初期(临时)支护采用喷锚， 二次(永久)

14、支护为50era厚单筋混凝土衬砌。白山水电站地下主厂房长1215m、跨度25m、高54m， 采用喷锚作为永久支护。主厂房下游边墙与主变压器嗣上游边墙之间为厚仅165m的岩墙， 其间有7条洞穿过，并有对高边墙稳定很不利的断层通过。由于采用预应力锚索、长锚杆、喷锚、锚洞以及合理的开挖程序和先进的开挖工艺等措施， 因而l捉功地解决了该工程的下游高边墙稳定问题(十)地下厂房设计的优化地下厂房设计的优化包括： 合理选择地下厂房洞室韵位置、主厂房轴线方向， 及洞室的布置等。我国许多大型地下厂房如白山、鲁布革、二滩等工程在这些方面都进行了设计优化， 在很复杂的岩层中选出最傀厂房位置； 厂房轴线方向与主要地质

15、断裂方向有较大的交角， 并与最大地应力方向尽量一致， 为广麂系统围岩稳定提供最有利 条件； 鲁布草水电站地下厂房布置采用斜向进水， 连同采用岩壁吊车粱等措施， 使厂房跨度由原设计的24m缩窄至l8m。我国水工优化设计的成就是很多的 以上列举情况远不能全面概括二、进一步优化水工设计的途径(一)采用先进台理的枢纽布置采用先进合理的枢纽布置方案对水工设计的优化具有重要意义枢纽布置方案应适应地质、地形、水文等条件。由于与地质条件不相适应造成工程失利或保守浪费的例子是不少的。在枢纽布置中还应积极采用国内外先进技术经验和科研成果。要特别重视泄洪消能布置的优化(二)发晨和推广折坝型混凝土面板堆石坝和碾压混凝

16、土坝具有造价低， 建设速度快的优点， 潜力很大， 应大力发展，在条件适宜的坝址应积极推广采用。面板堆石坝施工并不十分复杂， 但必需严格按设计要求施工，严格对料源的控制，提高施工工艺水平， 进一步改进面板细部结构， 解决好面板与岸坡的可靠联结问题。碾压混凝土坝在我国尚处于试点阶段，有待大力发展。今后应在吸取国外先进经验的同时， 结合我国的具体条件， 不断创造新的经验， 改善施工工艺， 提高填筑层间的抗剪能力， 同时简化坝体结构，搞清温控要求， 为发展我国百米以上的碾压混凝土重力坝而努力。其他当地材料坝和混凝土坝仍应继续发展和优化 对当地材料坝筑坝材料要因地制宜， 就近取材， 充分利用开挖料 拱坝

17、应发展比较扁平拱的体形， 如三心圆拱、抛物线拱、螺旋线拱等体形， 以适应坝肩稳定的要求，尽量减少基础处理工程量。(三)尽量碱少坝基和岸壤的开挖在保证安全的条件下， 尽量减少坝基和岸坡的开挖是水工优化设计的重要途径。过量的开挖不仅增大开挖和回填混凝土工程量， 而且可能引起不良后果， 产生新的卸荷松驰带， 引起岸坡失稳等，对安全和经济效益都很不利。因而应尽量用适当的处理或加固措施代替大量开挖。对坝基开挖要正确估计裂隙风化岩体的承载能力和加固处理的效果； 对岸坡及洞脸开挖要尽量做到早进洞、晚出洞， 降低开挖边坡的高度， 并采用预裂爆破， 及时喷锚、加强排水等措施，尽可能实现高边坡垂直开挖。(四)、充

18、分考虑围岩的承载能力， 忧化地下洞室的衬护设计尽量利用喷锚支护代替塑模混凝土衬砌。对于需要进行混凝土衬砌的洞室， 也要充分考虑围岩的自稳能力和弹性抗力， 合理确定衬砌的荷载条件 对在雄厚山体中的压力隧洞，应采用先进合理的设计假定， 匕上素混凝土薄衬砌为主， 尽量以钢筋混凝土衬砌或预应力素混凝土衬砌代替钢板衬砌， 以缩短钢板衬砌段的长度。对于局部不稳岩体或稳定性差的洞段进行各别处理。在进行永久支护时应考虑临时支护的作用。(五)采用先进的设计标准我国有些水工设计规范已颁发多年。随着技术的进步和工程经验的积累， 有些规范条文显得落后了，需进行修改补充。I 985年颁发了混凝土重力坝设计规范SDJ2l一78(试行)补充规定， 收到很好的效果。最近正准备对水利水电枢纽工程洪水标准及其他L 些水工设计规范做部分补充修改 今后还应消化吸收国外先进的设计标准 结合我国条件加以采纳。根据建设部标准定额司的统一部署， 正在编制水工结构