摘要:碾壓混凝土拱壩具有施工快、材料省、開挖小等優點，是適合高山峽谷地區的優秀壩型。但由于采用薄層碾壓施工，層間強度低于本體、層面滲流問題突出，具有顯著的各向異性的特性;且高碾壓混凝土拱壩在一個枯水期難以澆筑完成，汛期需要臨時成拱擋水度汛;碾壓層面滲流問題較突出，壩體排水要求高。上述這些設計、施工難點成為制約該壩型進一步發展、推廣的關鍵因素，需要有所突破。針對高薄碾壓混凝土拱壩上述技術特點，依托三里坪、云龍河兩座高薄碾壓混凝土拱壩，研究提出了“強拱弱梁”的設計理論和方法、“下誘上橫”組合式分縫、壩體立體網格排水系統等一系列創新技術。上述新技術已成功應用于工程實踐，推動了碾壓混凝土壩的技術進步，可供同行參考借鑒。

　　關鍵詞:拱壩體形設計;碾壓混凝土拱壩;壩體分縫;網格排水

　　排水工程師投稿刊物：西南給排水西南地區唯一的給排水科技期刊，主要刊登市政、工業與建筑給排水及水污染治理方面的的科研設計、生產管理、施工安裝的經驗和成果，介紹國內外在本技術領域的新技術、新設備與技術信息等。

　　拱壩壩肩開挖小，且壩身可布置泄洪孔口，一般不需另外布置岸邊泄洪建筑物，因此占地和開挖工程量少，對地表環境擾動范圍小;同時拱壩具有超載能力強、安全度高、筑壩材料省等優點。碾壓混凝土具有施工速度快、施工工藝簡單、單位材料費用低等優點[1]。將上述兩者結合的碾壓混凝土拱壩，既經濟環保、又可快速建壩，是20世紀80年代末期發展起來的優秀壩型。1980年在日本島地川采用碾壓混凝土筑壩技術建成了世界上第一座碾壓混凝土重力壩，1988年南非建成了世界上第一座碾壓混凝土拱壩Knellpoort壩。我國碾壓混凝土筑壩技術研究始于20世紀80年代初[2]。

　　1986年在福建大田坑口建成第一座碾壓混凝土重力壩，1994年建成第一座碾壓混凝土拱壩———普定拱壩(壩高75m)[3]。20世紀90年代以后，許多學者和工程師對碾壓混凝土拱壩體形、分縫設計及應力、穩定分析等開展了較深入的研究，解決了中低碾壓混凝土拱壩的若干設計和施工問題[4-9]。經過“八五”“九五”多項國家重點科技攻關，21世紀初，壩高130m的沙牌碾壓混凝土拱壩建成，為百米級碾壓混凝土拱壩積累了很多設計、科研、施工經驗[10-11]。但沙牌碾壓混凝土拱壩為單曲拱壩，體形設計簡單，未充分發揮雙曲拱壩的超載能力，壩體工程量較大，另外沙牌碾壓混凝土拱壩為避免影響碾壓混凝土連續施工，壩身未設孔口，而在岸邊單獨設置泄洪洞。

　　由于拱壩一般修建在高山峽谷地區，河谷狹窄，壩肩岸坡陡峭，設置岸邊泄洪洞無疑增加工程投資，因此，碾壓混凝土拱壩建設逐漸向壩身泄洪的高薄碾壓混凝土雙曲拱壩方向發展，但由于碾壓混凝土采用薄層碾壓施工，層面強度低，滲透系數高，高薄碾壓混凝土拱壩存在結構強度、壩體滲漏問題，壩體分縫及排水等結構措施影響快速碾壓施工，需在設計理論和工程技術等方面尋求突破。本文依托湖北房縣三里坪水利水電樞紐工程和湖北恩施云龍河三級水電站的兩座壩高分別為141m和129m的高薄碾壓混凝土拱壩，借鑒已有碾壓混凝土拱壩設計經驗，結合碾壓混凝土水平向強度高、豎直向強度低的特點，根據壩身孔口布置壩體構造設計要求，開展了理論分析、技術研發與工程應用研究，實現了高薄碾壓混凝土拱壩設計理論和方法的突破，并在上述兩個工程得到成功應用，取得了良好效果。

　　1“強拱弱梁”設計理論和方法

　　1.1理論基礎和設計理念

　　(1)碾壓混凝土材料特性。

　　碾壓混凝土采用大面積水平薄層碾壓施工，壩體內因存在眾多水平薄弱碾壓層面，因而豎向的強度等力學性能低于水平向。三峽、龍灘等大量工程混凝土強度試驗資料表明，碾壓混凝土層面強度為本體強度的70%～80%，混凝土細觀力學數值模擬分析結果顯示，碾壓混凝土層面強度為本體強度75%～85%[12-13]。

　　(2)常規拱壩設計理論。

　　拱壩是三維多次超靜定殼體結構，其計算理論經歷了純拱法、拱冠梁法、拱梁分載法到三維有限元法的發展過程。其中，拱梁分載法把體形和邊界條件復雜的三維殼體結構概化為多層水平拱和多條豎向懸臂梁的組合結構，拱壩承受的水荷載相應分解為拱荷載和梁荷載。拱梁分載法具有力學概念清晰、計算簡便、成果可靠、應用廣泛的特點，目前仍然是拱壩設計的基本方法。

　　(3)“強拱弱梁”設計理念。在常規混凝土拱壩設計理論基礎上，針對碾壓混凝土豎向強度明顯低于水平向強度的材料特性，在體形設計中提高拱向承載比例，使水推力更多地通過水平拱作用傳遞到兩岸拱座，提出了碾壓混凝土拱壩“強拱弱梁”設計理念。

　　1.2“強拱弱梁”設計方法

　　1.2.1體形設計方法

　　基于“強拱弱梁”設計理念，提出加大拱圈中心角和減小倒懸度的拱壩體形設計方法。常態混凝土拱壩中心角一般不大于95°，基于“強拱”設計理念，對碾壓混凝土拱壩采用95°以上的大中心角水平拱圈，增大拱向受力;拱壩設計規范規定壩體倒懸度一般不大于0.3，對碾壓混凝土拱壩，采用不大于0.2的小倒懸度豎向懸臂梁，利用混凝土自重減小梁向拉應力，成功解決了碾壓混凝土豎向力學強度低、水平向強度高的力學性能各向異性難題。

　　1.2.2壩體應力控制標準

　　在拱壩常規應力和穩定設計標準的基礎上，提出了與碾壓混凝土拱壩“強拱弱梁”體形優化設計方法相應的設計標準。(1)水平拱圈最大中心角:最大中心角在95°～110°之間選取。(2)豎向懸臂梁倒懸度:控制倒懸度不大于0.2(本條設計標準已納入SL314-2018《碾壓混凝土壩設計規范》)。3)梁向拉應力:控制運行期梁向應力不超過0.9MPa(混凝土拱壩設計規范未對運行期壩體梁向拉應力進行控制)。圖2碾壓混凝土拱壩傳統分縫形式Fig.

　　2“下誘上橫”組合式分縫新型式

　　2.1傳統分縫型式及其存在的問題

　　早期碾壓混凝土拱壩高度較低，能夠在一個枯水期完成施工，有利于大倉面碾壓和連續施工，壩體不設縫。隨著碾壓混凝土拱壩的高度和拱圈長度的增加，大壩難以在一個低溫季節施工完成，因而需設置分縫來釋放因混凝土水化熱而產生的溫度應力。傳統分縫通常采用單一形式的橫縫或誘導縫。這種縫面完全貫通的橫縫在通水冷卻后通過灌漿才成為整體，因冷卻時間較長，無法臨時擋水;誘導縫貫通率在25%左右，可臨時擋水，但溫度應力釋放效果不如橫縫。因此，單一分縫方式無法兼顧壩體下部早期擋水度汛及上部后期溫控防裂的需要，影響快速施工。

　　2.2“下誘上橫”分縫原理

　　基于誘導縫和橫縫不同的結構效應，提出碾壓混凝土拱壩“下誘上橫”的組合式分縫新技術:特定高程以下設置部分連通的誘導縫，在施工早期利用碾壓混凝土水化熱低、誘導縫未張開的條件形成整體拱以擋水度汛;分界高程以上設置全連通橫縫，以便于拱圈長度較大的上部壩體釋放溫度應力，同時有利于提高拱壩接縫灌漿效果，加快碾壓混凝土施工澆筑進度[12-13]。組合縫分界高程根據壩體度汛擋水高程、壩體結構和施工期應力分析情況等綜合擬定。

　　3壩內立體網格排水系統

　　3.1傳統排水型式及其存在的問題

　　傳統碾壓混凝土拱壩僅設置豎向排水管，排水管間距一般為3m左右。對薄拱壩而言，因倉面寬度狹窄，密集的排水管在倉面形成一道屏障，給混凝土平倉碾壓帶來很大的干擾，影響施工進度。

　　3.2優化設計思路

　　加快施工進度，研究提出了“加大豎向排水間距、設置橫向排水引滲”的壩體立體網格排水系統。其基本思路是在不減小單位面積上排水管長度的前提下，加大豎向排水管間距，同時設置水平排水管，與常規僅設豎向排水相比，既保證了大壩壩體整體防滲排水性能，又破解了壩體排水管埋設與快速碾壓澆筑施工相互干擾的難題。

　　4工程應用及成效

　　上述高薄碾壓混凝土拱壩體形和結構設計理論方法已在湖北房縣三里坪水利樞紐和湖北恩施云龍河三級水電站得到了成功應用，下文介紹具體工程應用實例。

　　4.1三里坪水利樞紐

　　4.1.1工程設計概況

　　三里坪水利水電樞紐工程位于湖北省房縣境內，地處漢江中游右岸一級支流南河的中游。工程以防洪與發電為主，水庫正常蓄水位416.00m，總庫容4.99億m3，電站總裝機容量70MW，多年平均發電量1.834億kW·h。三里坪大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，拱圈線型采用對數螺旋線，壩頂高程420m，建基面高程279m，最大壩高141m，壩軸線長284.61m，壩頂寬5.5m，拱冠梁底厚22.7m，厚高比0.17。

　　三里坪拱壩當時為國內最高的碾壓混凝土拱壩，目前為已建第二高的碾壓混凝土雙曲拱壩;壩身設3個12m×8m的表孔和2個5m×7m的中孔[14]，為壩身表中孔聯合泄洪的最薄百米級碾壓混凝土雙曲拱壩。

　　5結語

　　本文依托湖北房縣三里坪水利樞紐、云龍河三級水電站兩個項目，對高薄碾壓混凝土拱壩設計進行了系統創新，提出了包括“強拱弱梁”體形設計理論和方法、“下誘上橫”組合式分縫新型式以及壩內立體網格排水系統，解決了高薄碾壓混凝土拱壩的相關技術難題，既能保證結構安全、縮短建設工期，還能節約投資，經濟和環境效益顯著。上述技術創新彌補了傳統碾壓混凝土拱壩筑壩技術的不足，建立了高薄碾壓混凝土拱壩筑壩技術體系。研究成果已被納入SL314-2018《碾壓混凝土壩設計規范》等設計規范，有力推動了行業技術進步，為類似工程積累了寶貴經驗，具有重要的工程意義及推廣價值。

　　參考文獻:

　　[1]劉海成，韋天琴，吳智敏，等.碾壓混凝土拱壩的發展與展望[J].人民長江，2004，35(12):29-31.

　　[2]蘇勇.我國碾壓混凝土筑壩技術的發展及碾壓拱壩設計技術[C]∥2004年全國碾壓混凝土壩筑壩技術交流會論文集，2004.

　　[3]陳宗卿，龐聲寬.普定碾壓混凝土拱壩筑壩新技術研究[J].水力發電，1998(3):57-58.

　　[4]李海濤.招徠河碾壓混凝土雙曲薄拱壩的設計與實踐[C]∥第五屆碾壓混凝土壩國際研討會論文集(上冊)，2007.

　　[5]李海濤.招徠河碾壓混凝土拱壩裂縫處理[J].湖北水力發電，2007(4):7-9.