挡水坝在水库的设计分析

挡水坝在水库的设计分析

陈梦利

灵璧县水利建筑设计有限公司 安徽宿州  234200

摘要：随着现代水库工程建设事业的快速发展，挡水坝设计的关键价值作用愈发突出，对专业化的设计方法与流程等提出了更高要求，理应在实践中予以探索。本文首先介绍了挡水坝的特点，从剖面拟定与荷载计算等多个角度与方面，提出了挡水坝在水库的设计要点。在该基础上，结合相关实践经验，就挡水坝的有限元平面模拟分析进行了简要论述，望有助于相关工作实践。

关键词：挡水坝；水库工程；设计运用；优化分析

引言：

当今社会，基础设施建设事业突飞猛进，水库工程中挡水坝的现实功能更突出，需要强化设计分析，构造形成更具系统性的挡水坝结构体系。当前形势下，有必要立足水库工程实际，创新方式方法，全面优化提升挡水坝设计成效，提升水库运行实效。

1挡水坝的特点分析

挡水坝结构问题是现代水库工程项目建设中的重要问题，如何选择兼具经济性、安全性与生态性的坝型结构，成为实践中应予重点考量的核心所在。水库工程项目建设中的挡水建筑物型式多种多样，以重力坝、土石坝、拱坝等为主要代表的坝型结构分别具有各自不同特点与功能优势，需要结合挡水坝的实际应用需求，予以综合选择。对于重力坝，其主要依靠坝体自重在坝基面产生摩阻力来保持整体稳定，其可根据水库工程需求，细化分为多个独立坝段；对于土石坝，其在设计中可就提取材，有助于降低设计成本，且后期施工建设环节简便高效；对于拱坝，则具有较强的整体构造性特点，属于高次超静定结构范畴，可实现对外力作用的有效荷载。近年来，技术人员不断总结探索挡水坝结构设计方法的优化运用，在细化完善结构模型等方面进行了有益探索，增强了对坝址地形与地质条件的适应性[1]。

2挡水坝在水库的设计分析

2.1剖面拟定

在水库结构挡水坝设计中，剖面拟定是首要环节，其在优化完善坝体整体结构，强化挡水坝结构荷载效果方面发挥着关键作用。在该环节，技术人员应首先分析研判水库工程所处地形、地质、气象等环境条件，对各类基础数据信息进行全面搜集，并以此为基础对数据指标进行优化处理，形成剖面拟定数据模型。以宽缝重力坝为例，其构造方式相对简单，具有良好抗震性能，便于后期水库运行中的分期导流。在剖面拟定方案初步形成后，应结合工程项目实际，对其进行经济分析和技术分析，形成具有可行性的研究报告审查结论，确保剖面拟定结果符合水库工程的整体荷载要求。根据《混凝土重力坝设计规范等》标准，分别计算上游坝坡、下游坝坡和坝坡高程等参数[2]。

2.2荷载计算

挡水坝设计荷载计算的过程同时也是对多类型技术参数进行优化分析与匹配的过程，需要严格根据水库工程项目实际需求，予以综合把握与考量。对于以防洪为主的水库而言，尤其其在日常运行中的蓄水位相对较低，因此可在荷载计算中按照特定洪水位时的荷载作为基本组合，使最终设定的扬压力、浪压力与泥沙压力等参数偏差控制在技术允许范围内。根据正常蓄水位条件，对荷载计算的最终数据进行去伪处理，剔除其中存在明显偏差的技术参数，形成坝体抗滑稳定计算结果。按照折减系数的综合要求，充分考虑荷载计算的特殊状态，将可能出现的潜在干扰因素予以提前识别与控制。通过荷载计算，构建基于多维度数据的荷载模型，用以优化指导挡水坝设计方案。

2.3抗滑稳定计算

抗滑稳定计算的现实作用在于确保挡水坝的可靠性，只有强化对抗滑稳定性计算结果的标准化处理，才能在更深层次上确保挡水坝设计效果。采用模拟试验法，设定摩擦系数与抗剪断摩擦系数等，将相应的荷载总和掌握在合理状态。现代软件技术的持续快速发展与实践运用，为挡水坝设计中的抗滑稳定计算提供了更为灵活的工具载体，使传统技术环境下难以达成的抗滑数据信息优化分析目标更具可达成性。因此，在挡水坝抗滑稳定计算中，技术人员可积极有效引入软件系统，结合水工建筑物的抗震等级要求等，将控制水位、混凝土容重、水容重、扬压力折减系数等数据进行统一集中管控，确保坝体混凝土与坝基接触面之间形成良好凝聚力[3]。

2.4应力计算

在现代水库挡水坝设计中，应力计算分析的关键价值愈发突出，坝体结构的整体优化提升，离不开全面有效的应力计算结果作参考，这同时也是验算所拟定坝体断面的先决条件。根据相关技术规范，应首先运用材料力学法等，计算重力坝应力控制标准，排除不稳定数据信息的影响，使坝基的允许应压力符合技术要求。在抗压强度安全系数方面，则应根据水库工程项目地质条件，对岩基结构受力条件进行优化分析，确保坝体结构内不存在拉应力，防止结构性失衡失稳。根据水库坝体结构上游面的最小主应力，设计具备特定性能的防渗帷幕和排水管道等，满足后期挡水坝建设技术要求。在确定坝顶高程和坝顶宽度的基础上，进行坝体结构的细部构造处理，计算配筋量[4]。

3挡水坝的有限元平面模拟分析

3.1工况、边界模型及边界条件

为充分确保水库工程挡水坝结构的稳定性，强化最终设计效果，应对其工况、边界模型及边界条件等进行有限元分析。在该过程中，可选择特定阶段坝体结构，采用四节点等参单元进行模拟，以坝体结构上游面水平垂直水流方向为横轴，以水平水流方向为纵轴，将各类技术参数导入其中，对坝体结构地基两侧施加法向约束，观察切向力作用状态的变化状况。当临近边界条件时，则可形成基于混凝土弹模和基岩泊松比的模型图。通过分析具有较强直观性的模型图，可对廊道等部位进行网格划分，使最终形成的应力值更加稳定可靠。

3.2计算模型及结果分析

水库工程挡水坝设计的主要荷载包括坝体自重、水容重、上下游校核水位等，这些不同的荷载内容在模型计算与优化分析中所起到的现实作用各不相同，需要结合水库构造实际，予以综合优化分析。通常情况下，通过分析挡水坝有限元模型网格图，坝体将更多地处于压应力状态，拉应力的存在区域相对有限，这表明挡水坝结构的整体稳定性较强，符合设计规范要求。在校核水位的长期影响作用下，挡水坝所遭受的应力变化曲线也将更加平顺，应力值的同步增加幅度相对有限，坝体自重作用下的坝踵垂直应力分布状态也更理想[5]。

4结语

综上所述，受参数选型、水库构造与设计方法等要素影响，当前水库工程挡水坝设计实践依然存在诸多短板与不足，束缚着其整体价值作用的优化提升。因此，技术人员应立足水库工程的客观实际，创新挡水坝设计规范与规则，积极有效引入软件技术，对其各类技术参数进行准确校核分析，结合工程模拟的边界条件，实施模型分析，为全面提升挡水坝设计成效奠定基础，为辅助促进水库工程项目事业发展贡献力量。

参考文献

[1]王阿敏，贾庆稳，马艳，等.葠窝水库挡水坝段的有限元平面模拟分析[J].黑龙江水利科技，2022（8）：64-65.

[2]潘红岭，陈宾，王孙俊.倒流河水库挡水坝帷幕灌浆廊道现浇混凝土施工[J].四川水利，2021（3）：85-88.

[3]邓杏芳.倒流河水库挡水坝帷幕灌浆廊道现浇混凝土施工[J].文摘版：工程技术，2021，01（4）：125.

[4]邓忠，廖培涛，秦平亮，等.大藤峡水库对广西盘龙铅锌矿矿坑涌水量影响预测[J].中国岩溶，2021，40（2）：198-204.

[5]李明生.平凉市灵台县达溪河新集水库工程固结灌浆施工方案分析[J].内蒙古煤炭经济，2021（16）：170-171.