关于重力坝基本断面的快速优化设计刍议

关于重力坝基本断面的快速优化设计刍议

王兆括薛文强

王兆括薛文强

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州，贵阳，550081）

【摘要】重力坝是水利工程中的重要构成部分，尤其是大型水电站以及水库，重力坝的作用更是十分显著。然而，基本断面设计是修建重力坝的关键环节，只有综合考量各方因素，才能确保重力坝质量和安全。文中通过对重力坝的基本概念做了简单介绍，深入分析了基本断面的快速优化设计，以期提升相关工作。

【关键词】重力坝；基本断面；快速优化设计

1．重力坝基本概念

一般来说，重力坝就是在大型水库或水电站等水利工程中，修建的大型挡水建筑物，基本断面是三角形，坝体由多段组成，通过坝体自重维持稳定。重力坝的基本原理可以分为两个方面。第一是重力坝自身自重可以形成足够的抗滑力来确保重力坝满足稳定要求。第二是重力坝自身自重可以产生压应力，以抵消水压力，使坝体的强度保持在安全合理的范围内。

重力坝的应用十分广泛，就目前实际情况来说，在超过100m的大坝中，重力坝的数量超过了半数[1]。重力坝之所以能够得到如此广泛的应用，其原因在于重力坝具有多个方面的优点。

（1）重力坝的稳定性很好、抗渗抗漏、抵抗地震和战争等大规模破坏的能力比较优良；

（2）重力坝的设计施工都比较简单，程序也不复杂，便于进行机械作业施工；

（3）重力坝的实用性很强，可以适用于多种多样的地形环境下。不仅如此，重力坝对地基的要求较低，可以在地层条件较差的地段进行修建；

（4）重力坝的坝体上可以布置泄水孔口、引水孔口等通道，对于解决泄洪、发电等问题都具有十分重要的作用。

虽然重力坝的优点十分明显，但是其也存在一定的缺陷。第一，重力坝的应力相对较低，无法充分发挥出建坝材料的强度性能；第二，重力坝的坝体体积庞大，需要耗费大量的水泥材料；第三，在重力坝的施工期间，混凝土在温度影响下应力变化较低，因此需要在施工过程中对温度进行较为精细的控制。

2．重力坝设计要点

重力坝设计的环节很多，需要加强控制的要点也很多。

载荷组合一般可以分为基本载荷与特殊载荷。基本载荷主要包括了坝体自重及相关物体承重、正常水位扬压力和静压力、设计洪水水位的动水压力、正常水位的浪压力、土压力、泥沙压力等；而特殊载荷主要包括了校核洪水位静水压力、扬压力、浪压力以及动水压力等。

断面拟定时，在重力坝的坝顶需要预留一定的安全高程，坝顶宽度需根据实际情况决定。重力坝上游面一般坡度在0.2以内，形成铅垂面[2]。重力坝下游面的坡度一般在0.6~0.8之间，坝底宽度通常为坝高的7/10~9/10。坝体断面就需要根据应力和稳定性进行求解，综合考虑成本、布置和运行，进一步进行优化设计。

重力坝坝体的布置需要考虑多个方面的内容，尤其是一些基本功能。首先，坝体布置要满足防水泄洪的基本要求，考虑泄水孔口和溢流坝的位置，确保其不会冲刷坝基以及周边建筑。泄水孔口的尺寸和高程需要根据相应水利工程的实际泄水需求进行设计。

坝体构造通常可以分为四个方面，首先是廊道，其主要用于各种在坝体内部进行的工作而设置的水平、斜向通道等。其次是分缝，为了坝体修建和温度、地层变化相对应，通常可以按轴线方向将坝体分为若干段，分缝间距通常在15~20m之间[3]，缝面可以进行灌浆施工，也可以不进行灌浆。再次是止水，在较陡坝段、坝体横缝和接触面以及廊道周围需要设置止水，通过橡皮、沥青、金属片等做成柔性止水。最后是坝体排水，需要在上游防渗层布置排水管，将水引入廊道内。通过排水管的间距保持在2~3m，材料多为混凝土多孔管。

3．重力坝基本断面快速优化设计

3.1求解重力坝基本断面相关参数

在进行重力坝的基本断面设计时，应该满足几个最基本的设计原则。首先，重力坝的坝体必须具有满足安全规定的抗滑稳定性能。其次，重力坝坝体受到的应力必须处在相关规定的限定范围之内。最后，在符合实际施工条件和设计参数等基本要求下，应该将重力坝基本单面的尺寸控制在最小范围内，以减少工程成本。某重力坝基本断面示意图如下图所示。

图1某重力坝基本断面示意图

根据上图所示，上游水位的高度和重力坝基本断面的高度是相等的，都为H，坝体底部厚度为B，沿压力分布走向选择一个折点。坝体下游水深达到Hd，上游的淤沙高度达到Hs，重力坝基本断面的摩擦因数为f，凝聚力为c。如果重力坝上游坝体的下部斜坡长度达到了，坝坡为1：n，高度达到了；重力坝下游坝坡是1：m，那么可以得出：n=/；m=（1-）B/H。

从这两个式子不难看出，求解重力坝基本参数的关键就在于求解B值以及值。只要这两个值可以符合前边所说的三个基本原则，那么就可以将其带入上述两个式子求解n和m。根据实际情况来说，重力坝的冰压力和浪压力相对其他载荷而言是非常小的，因此在断面设计的过程中可以不予考虑。在基本断面的设计过程中，可以通过加宽和加高坝体来抵消冰压力或浪压力对坝体造成的影响。

在求解的过程中，会出现以下几种情况，不同的情况代表了不同的结果。

(1)有一个或两个解。如果只取一个合理的解，那么会出现B/H曲线交点偏离值的情况，则说明此值是不合理的，应该舍去。

(2)大于0.2。在这种情况下，如果的值较小，值较大的话，就会导致重力坝的坝坡较缓，其会给重力坝的相关功能带来不便。比如泄水孔距离廊道过远，大坝设计不是最佳方案；如果重力坝存在施工纵缝，在未灌浆之前可能使坝踵出现较大的拉应力。

(3)小于0，说明f和c值都比较大。如果重力坝上游存在倒悬，会对施工产生不利影响。应该尽量选择不小于0的值进行n和m的计算。

(4)不存在值。这说明f、c值太大，应该按照第三种情况的处理方法进行处理。

3.2和B值的优化

优化和B值，可以设出重力坝基本断面的面积，令其为S，则可以写出S的表达式为：S=0.5B[Hc+（1-）H],从前边的论述可以得知，B是关于的函数，对其进行求导就可以对B的性质进行判断。

如果Hc的值和H相等，可以得出dS/d=0.5H（)。如果B是一个增函数，那么S也就是一个增函数，通过相关式子解出值，可以符合重力坝对稳定性和应力的基本要求。在此基础上，可以进一步使B值达到最小，以便S值趋向最小，从而在满足稳定性和应力要求的基础上，实现重力坝基本断面的尺寸最小化。

除此之外，还有一些其他的可能情况会影响和B值，在重力坝的设计过程中，应当根据实际需求，在不同的情况下进行和B值的优化。

结束语：

重力坝的优点十分明确，其应用范围也十分宽广。在进行基本断面设计的过程中，应当明确基本断面的设计要点，抓住基本断面设计的关键环节，从和B值入手，在满足稳定性和应力要求的基础上进行断面快速优化设计。

参考文献：

[1]席红泽，倪芳，等.重力坝非溢流断面快速优化设计[J].山西建筑，2009（06）.

[2]康迎宾，郭勤军，等.重力坝坝前加固断面的快速优化设计[J].大坝与安全，2010（03）.

[3]李芬花，郭丹.基于ANSYS的重力坝非溢流断面的优化设计[J].水利水电技术，2012（06）.

作者简介：

王兆括（1982-）男，河南省台前县，中级工程师，本科，从事工作：水利水电工程设计。

薛文强（1980-）男，安徽界首，中级工程师，本科，从事工作：水利水电工程设计。