高薄碾压混凝土拱坝设计创新与实践

　　摘要:碾压混凝土拱坝具有施工快、材料省、开挖小等优点，是适合高山峡谷地区的优秀坝型。但由于采用薄层碾压施工，层间强度低于本体、层面渗流问题突出，具有显著的各向异性的特性;且高碾压混凝土拱坝在一个枯水期难以浇筑完成，汛期需要临时成拱挡水度汛;碾压层面渗流问题较突出，坝体排水要求高。上述这些设计、施工难点成为制约该坝型进一步发展、推广的关键因素，需要有所突破。针对高薄碾压混凝土拱坝上述技术特点，依托三里坪、云龙河两座高薄碾压混凝土拱坝，研究提出了“强拱弱梁”的设计理论和方法、“下诱上横”组合式分缝、坝体立体网格排水系统等一系列创新技术。上述新技术已成功应用于工程实践，推动了碾压混凝土坝的技术进步，可供同行参考借鉴。

　　关键词:拱坝体形设计;碾压混凝土拱坝;坝体分缝;网格排水

　　排水工程师投稿刊物：西南给排水西南地区唯一的给排水科技期刊，主要刊登市政、工业与建筑给排水及水污染治理方面的的科研设计、生产管理、施工安装的经验和成果，介绍国内外在本技术领域的新技术、新设备与技术信息等。

　　拱坝坝肩开挖小，且坝身可布置泄洪孔口，一般不需另外布置岸边泄洪建筑物，因此占地和开挖工程量少，对地表环境扰动范围小;同时拱坝具有超载能力强、安全度高、筑坝材料省等优点。碾压混凝土具有施工速度快、施工工艺简单、单位材料费用低等优点[1]。将上述两者结合的碾压混凝土拱坝，既经济环保、又可快速建坝，是20世纪80年代末期发展起来的优秀坝型。1980年在日本岛地川采用碾压混凝土筑坝技术建成了世界上第一座碾压混凝土重力坝，1988年南非建成了世界上第一座碾压混凝土拱坝Knellpoort坝。我国碾压混凝土筑坝技术研究始于20世纪80年代初[2]。

　　1986年在福建大田坑口建成第一座碾压混凝土重力坝，1994年建成第一座碾压混凝土拱坝———普定拱坝(坝高75m)[3]。20世纪90年代以后，许多学者和工程师对碾压混凝土拱坝体形、分缝设计及应力、稳定分析等开展了较深入的研究，解决了中低碾压混凝土拱坝的若干设计和施工问题[4-9]。经过“八五”“九五”多项国家重点科技攻关，21世纪初，坝高130m的沙牌碾压混凝土拱坝建成，为百米级碾压混凝土拱坝积累了很多设计、科研、施工经验[10-11]。但沙牌碾压混凝土拱坝为单曲拱坝，体形设计简单，未充分发挥双曲拱坝的超载能力，坝体工程量较大，另外沙牌碾压混凝土拱坝为避免影响碾压混凝土连续施工，坝身未设孔口，而在岸边单独设置泄洪洞。

　　由于拱坝一般修建在高山峡谷地区，河谷狭窄，坝肩岸坡陡峭，设置岸边泄洪洞无疑增加工程投资，因此，碾压混凝土拱坝建设逐渐向坝身泄洪的高薄碾压混凝土双曲拱坝方向发展，但由于碾压混凝土采用薄层碾压施工，层面强度低，渗透系数高，高薄碾压混凝土拱坝存在结构强度、坝体渗漏问题，坝体分缝及排水等结构措施影响快速碾压施工，需在设计理论和工程技术等方面寻求突破。本文依托湖北房县三里坪水利水电枢纽工程和湖北恩施云龙河三级水电站的两座坝高分别为141m和129m的高薄碾压混凝土拱坝，借鉴已有碾压混凝土拱坝设计经验，结合碾压混凝土水平向强度高、竖直向强度低的特点，根据坝身孔口布置坝体构造设计要求，开展了理论分析、技术研发与工程应用研究，实现了高薄碾压混凝土拱坝设计理论和方法的突破，并在上述两个工程得到成功应用，取得了良好效果。

　　1“强拱弱梁”设计理论和方法

　　1.1理论基础和设计理念

　　(1)碾压混凝土材料特性。

　　碾压混凝土采用大面积水平薄层碾压施工，坝体内因存在众多水平薄弱碾压层面，因而竖向的强度等力学性能低于水平向。三峡、龙滩等大量工程混凝土强度试验资料表明，碾压混凝土层面强度为本体强度的70%～80%，混凝土细观力学数值模拟分析结果显示，碾压混凝土层面强度为本体强度75%～85%[12-13]。

　　(2)常规拱坝设计理论。

　　拱坝是三维多次超静定壳体结构，其计算理论经历了纯拱法、拱冠梁法、拱梁分载法到三维有限元法的发展过程。其中，拱梁分载法把体形和边界条件复杂的三维壳体结构概化为多层水平拱和多条竖向悬臂梁的组合结构，拱坝承受的水荷载相应分解为拱荷载和梁荷载。拱梁分载法具有力学概念清晰、计算简便、成果可靠、应用广泛的特点，目前仍然是拱坝设计的基本方法。

　　(3)“强拱弱梁”设计理念。在常规混凝土拱坝设计理论基础上，针对碾压混凝土竖向强度明显低于水平向强度的材料特性，在体形设计中提高拱向承载比例，使水推力更多地通过水平拱作用传递到两岸拱座，提出了碾压混凝土拱坝“强拱弱梁”设计理念。

　　1.2“强拱弱梁”设计方法

　　1.2.1体形设计方法

　　基于“强拱弱梁”设计理念，提出加大拱圈中心角和减小倒悬度的拱坝体形设计方法。常态混凝土拱坝中心角一般不大于95°，基于“强拱”设计理念，对碾压混凝土拱坝采用95°以上的大中心角水平拱圈，增大拱向受力;拱坝设计规范规定坝体倒悬度一般不大于0.3，对碾压混凝土拱坝，采用不大于0.2的小倒悬度竖向悬臂梁，利用混凝土自重减小梁向拉应力，成功解决了碾压混凝土竖向力学强度低、水平向强度高的力学性能各向异性难题。

　　1.2.2坝体应力控制标准

　　在拱坝常规应力和稳定设计标准的基础上，提出了与碾压混凝土拱坝“强拱弱梁”体形优化设计方法相应的设计标准。(1)水平拱圈最大中心角:最大中心角在95°～110°之间选取。(2)竖向悬臂梁倒悬度:控制倒悬度不大于0.2(本条设计标准已纳入SL314-2018《碾压混凝土坝设计规范》)。3)梁向拉应力:控制运行期梁向应力不超过0.9MPa(混凝土拱坝设计规范未对运行期坝体梁向拉应力进行控制)。图2碾压混凝土拱坝传统分缝形式Fig.

　　2“下诱上横”组合式分缝新型式

　　2.1传统分缝型式及其存在的问题

　　早期碾压混凝土拱坝高度较低，能够在一个枯水期完成施工，有利于大仓面碾压和连续施工，坝体不设缝。随着碾压混凝土拱坝的高度和拱圈长度的增加，大坝难以在一个低温季节施工完成，因而需设置分缝来释放因混凝土水化热而产生的温度应力。传统分缝通常采用单一形式的横缝或诱导缝。这种缝面完全贯通的横缝在通水冷却后通过灌浆才成为整体，因冷却时间较长，无法临时挡水;诱导缝贯通率在25%左右，可临时挡水，但温度应力释放效果不如横缝。因此，单一分缝方式无法兼顾坝体下部早期挡水度汛及上部后期温控防裂的需要，影响快速施工。

　　2.2“下诱上横”分缝原理

　　基于诱导缝和横缝不同的结构效应，提出碾压混凝土拱坝“下诱上横”的组合式分缝新技术:特定高程以下设置部分连通的诱导缝，在施工早期利用碾压混凝土水化热低、诱导缝未张开的条件形成整体拱以挡水度汛;分界高程以上设置全连通横缝，以便于拱圈长度较大的上部坝体释放温度应力，同时有利于提高拱坝接缝灌浆效果，加快碾压混凝土施工浇筑进度[12-13]。组合缝分界高程根据坝体度汛挡水高程、坝体结构和施工期应力分析情况等综合拟定。

　　3坝内立体网格排水系统

　　3.1传统排水型式及其存在的问题

　　传统碾压混凝土拱坝仅设置竖向排水管，排水管间距一般为3m左右。对薄拱坝而言，因仓面宽度狭窄，密集的排水管在仓面形成一道屏障，给混凝土平仓碾压带来很大的干扰，影响施工进度。

　　3.2优化设计思路

　　加快施工进度，研究提出了“加大竖向排水间距、设置横向排水引渗”的坝体立体网格排水系统。其基本思路是在不减小单位面积上排水管长度的前提下，加大竖向排水管间距，同时设置水平排水管，与常规仅设竖向排水相比，既保证了大坝坝体整体防渗排水性能，又破解了坝体排水管埋设与快速碾压浇筑施工相互干扰的难题。

　　4工程应用及成效

　　上述高薄碾压混凝土拱坝体形和结构设计理论方法已在湖北房县三里坪水利枢纽和湖北恩施云龙河三级水电站得到了成功应用，下文介绍具体工程应用实例。

　　4.1三里坪水利枢纽

　　4.1.1工程设计概况

　　三里坪水利水电枢纽工程位于湖北省房县境内，地处汉江中游右岸一级支流南河的中游。工程以防洪与发电为主，水库正常蓄水位416.00m，总库容4.99亿m3，电站总装机容量70MW，多年平均发电量1.834亿kW·h。三里坪大坝为碾压混凝土双曲拱坝，拱圈线型采用对数螺旋线，坝顶高程420m，建基面高程279m，最大坝高141m，坝轴线长284.61m，坝顶宽5.5m，拱冠梁底厚22.7m，厚高比0.17。

　　三里坪拱坝当时为国内最高的碾压混凝土拱坝，目前为已建第二高的碾压混凝土双曲拱坝;坝身设3个12m×8m的表孔和2个5m×7m的中孔[14]，为坝身表中孔联合泄洪的最薄百米级碾压混凝土双曲拱坝。

　　5结语

　　本文依托湖北房县三里坪水利枢纽、云龙河三级水电站两个项目，对高薄碾压混凝土拱坝设计进行了系统创新，提出了包括“强拱弱梁”体形设计理论和方法、“下诱上横”组合式分缝新型式以及坝内立体网格排水系统，解决了高薄碾压混凝土拱坝的相关技术难题，既能保证结构安全、缩短建设工期，还能节约投资，经济和环境效益显著。上述技术创新弥补了传统碾压混凝土拱坝筑坝技术的不足，建立了高薄碾压混凝土拱坝筑坝技术体系。研究成果已被纳入SL314-2018《碾压混凝土坝设计规范》等设计规范，有力推动了行业技术进步，为类似工程积累了宝贵经验，具有重要的工程意义及推广价值。

　　参考文献:

　　[1]刘海成，韦天琴，吴智敏，等.碾压混凝土拱坝的发展与展望[J].人民长江，2004，35(12):29-31.

　　[2]苏勇.我国碾压混凝土筑坝技术的发展及碾压拱坝设计技术[C]∥2004年全国碾压混凝土坝筑坝技术交流会论文集，2004.

　　[3]陈宗卿，庞声宽.普定碾压混凝土拱坝筑坝新技术研究[J].水力发电，1998(3):57-58.

　　[4]李海涛.招徕河碾压混凝土双曲薄拱坝的设计与实践[C]∥第五届碾压混凝土坝国际研讨会论文集(上册)，2007.

　　[5]李海涛.招徕河碾压混凝土拱坝裂缝处理[J].湖北水力发电，2007(4):7-9.