（姚福海）

摘要:參照工民建行業的概念設計經驗，對水工建築物的概念設計進行了初步總結，提出了應重點關注的方向。

關鍵詞:輸水建築物、大壩 、抗震、 安全措施。

1. 概述

在工民建行業，概念設計是建築物總體設計的重要組成部分。正如國際結構設計大師林同炎所言：“概念設計是工程師運用整體思維，在不依賴精確計算的前提下，通過對結構受力本質、地震作用規律的理解，確定結構的整體布局、傳力路徑和抗震路線。結構計算隻是演證概念設計的工具，而非設計的起點。”著名結構工程師張衛全將工民建行業的概念設計原則歸結為“簡單、規則、對稱布局→多道抗震防線→剛性與延性平衡”三部曲。

用上述概念設計思想分析一些著名大教堂（圖1為悉尼聖瑪麗亞大教堂）幾百年屹立不倒的原因，就會發現，基礎穩固、結構對稱、拱連拱形成的大剛度布局，再加上建造者內心虔誠、精雕細刻是教堂成為精品建築的主要因素。

圖1 悉尼聖瑪麗亞大教堂的對稱結構（左），教堂內部拱連拱形成的剛性穩定結構（右）

與工民建行業相比，幾千年來，水工建築物設計也在不自覺的踐行概念設計統領布局的指導思想。如：（1）都江堰水利樞紐（圖2左所示）體現了“泄水建築物應順應河流的天性，引水建築物進口要避開洪水的鋒芒”的指導思想。（2）上世紀八十年代的葛洲壩船閘采用了“靜水通航，動水衝沙，輔助以機械清淤”的設計原則（圖2右所示）。（3）當今的水工隧洞設計牢牢抓住“圍岩就是最主要的承載結構，鋼模台車襯砌後的糙率不會超過0.0125”的理念。（4）汶川大地震後，震區地下建築物基本完好無損的情況說明，約束較弱的地麵建築物高凸部位才是抗震設計的重點等。

為全麵總結水工建築物的概念設計經驗，下文擬分類進行提煉總結。

圖2  都江堰水利樞紐（左）                      葛洲壩船閘及衝沙閘（右）

2. 環境條件常常製約抽水蓄能電站高壓管道的布置形式

環境條件包括自然和管理運行環境兩大類。環境條件對高壓管道布置形式的影響，主要體現在以下3個方麵。

2.1“一洞四機”和“兩洞四機”分別對應不同的運行管理環境

“一洞四機”布置形式最大的特點是，土建工程量相對較小，但當機組球閥改造或輸水建築物放空檢修時，需要全廠停機。若項目歸電網公司所有，則全廠停機期間，通過全網調度協調，可由網內其它同類項目開足馬力臨時頂替運行。因此，歸電網公司所有的抽水蓄能電站，采用“一洞四機”布置形式在運行管理上是可行的。反之，若項目位於發電企業的電源供給側，並承擔其風、光、儲清潔能源基地的儲能和調節功能，則“兩洞四機”布置形式是最佳選擇。

2.2在地質條件良好前提下，高壓管道的襯砌形式受製於運行環境條件。

在西北等水資源稀缺地區，有不少抽水蓄能電站的外購水源價格超過了3元/m³。為盡可能減少滲漏損失，高壓管道襯砌常采用滲漏量較小的鋼襯形式。若將來材料成熟，還可研究在圍岩上塗刷新型防水材料。相反，在南方水資源充足地區，隻要地質條件允許，高壓管道多采用按透水理念設計的鋼筋混凝土襯砌形式。

2.3溫度荷載影響鋼筋混凝土長斜井的結構設計

高壓長斜井的鋼筋混凝土襯砌是否要每隔30m左右設置環向結構縫？目前有兩種概念設計觀點。一是若按透水理念設計，就不用設環向結構縫。二是要高度重視溫度荷載對長斜井結構安全的影響，從防裂控製考慮，需要設置環向結構縫。作者對此調研後的基本觀點是：

（1）鋼筋混凝土長斜井需要結合項目所處的環境條件，進行溫度應力和伸縮量計算。其中，溫度荷載引起的斜井襯砌伸縮量△L=α·△T· L /2(1-μ)，式中，α為混凝土的線膨脹係數，μ為混凝土的泊鬆比，△T為溫度荷載，L為斜井的長度。施工期的溫度荷載需要確定蓄水前斜井混凝土是否越冬。運行期的溫度荷載需要確定庫水溫度的年最大變化情況。

（2）位於北方年溫差大或水資源比較稀缺的項目，為防止溫度荷載對長斜井產生多處貫穿性的有害裂縫，需要依據溫控計算結果，設置適當數量的環向結構縫。為不影響斜井滑模作業，位於結構峰內的銅止水及其上下誘導鐵皮應隨襯砌鋼筋綁紮安裝一次到位。

（3）若項目位於年溫差較小的南方多雨地區，且斜井的長度較小，經溫控計算分析，僅需在地質條件變化比較大的部位設置環向結構縫。

3.大壩抗震概念設計需要正視“三重三輕”現象

3.1大壩抗震概念設計經驗已經成熟

主要有：（1）地震荷載較大的拱壩，為了增大壩頂拱圈的抗震剛度，有的未設表孔，而是在岸邊布置了泄洪洞（圖3左為大崗山拱壩）。有的在表孔上部布置了大尺寸的連接橫梁（圖3右為二灘拱壩）。（2）為應對地震工況下，土石壩上部的鞭梢效應，在下遊壩坡上布置了土工格柵和壓重體（圖4左為瀑布溝大壩）。（3）地震設防烈度較高的壩後式廠房普遍布置了多道圈梁，形成了空間抵抗效應。有的壩後廠房還針對特殊的峽穀地形條件在廠房上部設置了防護網（圖4右為深溪溝壩後廠房）。

圖3 大渡河大崗山拱壩（左）                和雅礱江二灘拱壩（右）

圖4 大渡河瀑布溝礫石土心牆堆石壩壩後壓重平台（左）           深溪溝壩後廠房（右）

3.2大壩抗震概念設計存在的“三重三輕”現象需要高度重視

主要有：（1）堆石壩的抗震設計重下遊輕上遊。有的心牆堆石壩在壩頂下遊的邊坡內鋪設了土工格柵，但未重視低水位情況下壩頂上遊邊坡的抗震措施。有的麵板堆石壩未重視混凝土麵板在來自下遊地震情況下的抗折斷問題等。（2）堆石壩的抗震設計重材料輕坡比。土工格柵的耐久性與土石壩相差甚大。有的堆石壩下遊設置了壓重體，壩頂下遊邊坡具備用施工棄渣培厚變緩的條件，但卻布置了土工格柵。（3）混凝土壩的抗震設計重壩體輕設備。壩頂門機的抗震參數與壩體存在不對應現象。

4.永臨結合設計理念日漸成熟

主要有：（1）當布置條件具備時，土石壩下遊圍堰防滲牆可按永久設計，後期改建為大壩的量水堰。（2）地下廠房附近的施工支洞後期可改建為部分設備倉庫。（3）施工供水、供電係統與機組冷卻水源和廠用電係統結合布置。（4）為簡化管理，使用期限超過8年的臨時用地可按永久土地征用等。

5.概念設計與計算的關係日漸明朗

水工建築物的結構、泄流能力等計算已非常成熟，且較為精準。但有的計算內容受邊界條件的限製，其結果與實際相比出入較大。常用的概念設計對策有：（1）高壩下遊的泄洪霧化區的治理先河床後岸坡，通過依據運行初期的監測情況，實行分期治理。（2）泄洪衝刷深度主要通過水工模型試驗確定。（3）水工隧洞襯砌結構在放空後高外水荷載作用下的安全問題可通過加長錨杆形成的”胡子筋”增大安全儲備。（4）土石壩下部的河床覆蓋層抗滑穩定，可結合壓重變形後孔隙率的變化情況對覆蓋層的天然力學參數進行適當修正等。

6.結語

水工建築物的概念設計是在已有理論和實踐經驗的基礎上，站在理性認知高度，為方案設計把脈定向。與工民建行業相比，水工建築物的耐久性和安全性更高。在宏觀概念設計上，不宜侵占江河過多的空間，需想方設法與大自然和諧相處。在結構概念設計上，既要順應環境特點，體現綠色建造要求，又要形成多道安全防線。 

姚福海（1964.10—），男，陝西渭南人。正高級工程師，國家注冊岩土工程師。退休前主要從事大型水電工程設計和工程管理工作。

（圖、文均由作者提供，文責自負）