堆石混凝土重力坝设计探析

堆石混凝土重力坝设计探析

作者：刘玉梅

来源：《建筑工程技术与设计》2014年第32期

【摘要】作为我国水利工程建设的重要组成部分，大坝的设计和施工质量直接影响着水利工程功能的有效发挥。如果大坝出现问题，可能会造成难以估量的损失。因此，做好水库大坝的设计工作，保证其稳定性和安全性，是水利管理部门需要重点研究的问题。本文结合堆石混凝土的概念和特点，对堆石混凝土重力坝的设计进行了分析和探讨。

【关键词】堆石混凝土；重力坝；设计

前言

随着时代的进步和社会经济的发展，我国社会对于能源的需求不断增加，各种新的清洁可再生能源得到了开发和利用，水资源就是其中非常重要的一种。我国具有丰富的水能资源，因此水利工程的数量也非常巨大，做好水利工程大坝的设计施工，是保证其功能有效发挥的重要前提，同时也是当前水利工程施工人员重点研究的问题。堆石混凝土的出现，为坝体的设计和施工注入了新的活力，受到了相关技术人员的充分重视。

一.堆石混凝土概述

堆石混凝土简称RFC，是在自密实混凝土技术的基础上发展出的一种新型的大体积混凝土施工方式，是利用自密实混凝土的高流动性、良好的抗分离性能以及自流动的特点，在粒径较大的块石内随机充填自密实混凝土，从而形成的混凝土堆石体。

在大体积混凝土浇筑中，应用堆石混凝土技术，具有非常显著的优点，主要表现在：

（1）施工速度快：堆石混凝土的施工工艺简单，而且省略了振捣工序，可以极大地提高施工速度。

（2）强度高，耐久性好：自密实混凝土属于一种高性能混凝土，水胶比通常在0.3左右，在实际应用中，其高强度和良好的耐久性已经被广泛证实。而堆石混凝土实际上就是在自密实混凝土中加入了超大骨料，因此也继承了自密实混凝土强度高，耐久性好的特点。

（3）成本低廉：堆石混凝土由于掺入了超大骨料，因此单位体积中自密实混凝土的用量仅为普通混凝土的40%左右，可以极大地节约工程成本造价。

（4）水化温升小：堆石混凝土的粗骨料采用的是粒径较大的堆石，单位体积自密实混凝土用量少，因此可以有效降低混凝土绝热温升，温度控制相对简单。

二.堆石混凝土重力坝设计

以某水库建设为例，对堆石混凝土重力坝的设计进行简单分析。

1.工程概况

该水库位于河流中游位置，其功能主要是为周边多个村镇提供生活、工业和农业灌溉用水，水库总库容188.4万立方米，死库容13.55万立方米。在设计中，拦河坝采用了堆石混凝土重力坝，最大高度36.5m，坝轴线长110m。

2.地质条件

坝址两岸岸坡与岩层斜交，地形坡度为左岸35-55°，右岸20-39°，两坝肩强风化岩体和弱风化岩体均属于中等透水层，弱风化岩体下段为弱透水层或者相对隔水层。坝基不存在大的断裂构造，结构面相对完整，基础稳定性良好，基本上能够满足重力坝对于坝基基础的要求。

3.断面设计

与常态混凝土相比，堆石混凝土在性能上是相似的，工作状况相近，因此设计方法也大致相同。对于坝体断面的设计，需要充分考虑稳定条件以及应力条件，遵循《混凝土重力坝设计规范（SL319-2005）》的相关标准，对坝体断面进行控制。在该工程中，坝体断面的设计采用的是动态规划法，根据混凝土重力坝设计规范以及有关规程，结合坝址地形地质条件，初步拟定了各项应力以及抗滑稳定的约束条件，明确了坝底宽度的限制条件，并结合已建相似工程的设计参数，拟定出了上游和下游坝坡坡率约束条件，建立目标函数的约束集，并按照动态规划设计中“逆序”求解法进行求解，得出合理的断面设计参数，即

坝顶高程：1278.2m；

坝顶宽度：5m；

最大坝高：36.5m；

坝顶长度：110m。

同时在高程1270.5m以下的下游坝坡为1：0.8，以上为铅直；高程1260.5m以上的上游坝坡为铅直，以下为1：0.1。大坝供分为五个坝段，溢流坝段设置在中间位置。

4.应力计算

对于大坝应力的计算，这里采用材料力学法进行，取3号（坝0+038m-坝0+060m）及4号坝段（坝0+060m-坝0+080m）的最大断面进行计算，计算结果如下：

施工期最大容许拉应力：0.1Mpa。

由计算结果可以看出，坝基应力的计算结果并没有超出容许应力的范围，因此坝体断面的设计是非常合理的。

5.有限元法分析

为了切实保证坝体设计的合理性，采用有限元法，对坝体应力计算进行复核。在实际计算中，对于溢流坝段，采用空间有限元法进行分析和计算；对于非溢流坝段，采用平面有限元法进行分析和计算。无论是哪一种计算方法，对于坝体上下游岩基的计算深度和宽度均取坝底宽度的3倍。计算结果表明，坝段在不同工况下的位置状态以及应力分布正常，都在标准允许的范围内，对于大坝最为不利的情况，是水库全部泄空时，此时坝体会出现拉应力。

6.坝体分缝

坝体分缝同样是重力坝设计的关键环节，是结合坝体结构、坝基地质、施工条件、混凝土温度控制等各方面的因素，按照国家现行的相关规范和标准，经综合论证确定后，对坝体的大体积混凝土进行分割。在该工程中，将大坝从左到右划分为5个坝段，溢流坝段设置在中间的3号坝段上。1号坝段全长20m，桩号为0+000-0+020，2号坝段全长18m，桩号为0+020-0+038，3号坝段全长22m，桩号为0+038-0+060，其中溢流坝段长11.5m，桩号为0+038-0+0495，4号坝段全长20m，桩号为0+060-0+080，5号坝段全长30m，桩号为0+080-0+110。以此为依据，在坝体上设置四条横缝，止水设计采用W型铜片止水，沥青混凝土填缝。由于该工程中坝体最大高度仅为36.5m，因此不需要设置纵缝。在大坝浇筑施工中，需要切实做好施工管理，对混凝土施工缝进行有效处理，保证工程的施工质量。

三.结语

在当前经济飞速发展的带动下，我国的水利工程项目不断增加，对于其施工质量也提出了更高的要求。在水利工程大坝施工中，由于混凝土体积较大，需要尽可能降低混凝土的水化热和成本，也就是在保证质量、稳定性和强度等的前提下，降低水泥的用量。堆石混凝土的出现，可以有效满足这方面的需求，因此在水利工程大坝的建设中得到了广泛应用。相关管理人员应该充分重视起来，做好堆石混凝土重力坝的设计以及施工管理工作，保证大坝的稳定性和安全性，确保水利工程作用的充分发挥。

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