1、我國水工優化設計的新成就和新途徑建國以來， 我國興建了大量水利水電工程， 積累了豐富的水工設計經驗。近年來又借鑒了不少國外先進經驗。我國水工設計水平甚益提高，取得不少優化設計的新成就?，F就我國水工優化設計問題概述于后。一 我國水工優化設計的新成就(一)優選壩址和埂線選定壩址是水工設計中的戰略性決策問題， 我國一向十分重視 在充分掌握地質條件的前提下，經多種方案技術經濟比較而選出的壩址， 多數是優越的 例如水口水電站的下濮壩址、東江水電站拱壩壩址、三峽三斗坪壩址等，都是我國優選壩址的范例。有時選出的壩址地質比較復雜， 甚至有重大地質問題， 剛應以相應的優化設計方案加以適應 例如長江葛洲壩樞紐建于

2、有嚴重軟弱夾層的壩址、壩高165m的烏江渡重力拱壩建于巖溶十分發育的壩址 均取得了適應地質條件優化設計的成功經驗壩線的優化也是水工優化設計自 重要步驟 特別對拱壩更為重要 例如緊水灘拱壩壩線適當下移， 避開了地質不利結構面從而保證了工程的順利進行。（二）優選壩墅我國河啻i(洪水流量大，在已建高壩中混凝土壩較多 在混凝土壩壩型優化方面，大量采用了拱壩壩型。我國已建成壩高l57m的東江雙曲薄拱壩：在壩頂長與壩高之比為45的寬河谷上建成了壩高1495m的白山三心圓拱重力拱壩； 在地質條件復雜的埂址上建成了高l65m的烏江渡和高l 78m的龍羊蛺二座重力拱壩， 均屬我國近年來取得的新成就 現已開始興建

3、的153m高的東風雙曲薄拱壩和240m高的二濉拱壩， 經優化均采用了比較扁平的拋物線拱雙曲拱壩 可以兼顧壩肩穩定和壩體應力的要求， 從而可得到顯著的經濟效益。李家蛺水電站地質較差， 壩型經優化選甩較薄的三心圓拱單曲拱壩， 可較原考慮的較厚拱壩節約上億元的投資，工期可提前一年。此外，鳳灘水電站采用了空腹重力拱壩壩型，將發電廠房和泄洪建筑物均兼容于壩體內，是世界上比較獨特的壩型，雖然施工比較復雜， 但可大量節約工程量 并以較短的工期建成。為了優化重力壩，我國還修建了不少空腹重力壩，其中楓樹壩和牛路嶺二座空腹重力壩壩高近百米，空腹尺寸也較大，廠房布置于空腹內，在世界上也屬先進水平。碾壓混凝土壩其有快

4、速施工 節約水泥 簡化溫控等優點 我國已在大力攻關、試點 在福建建成了壩高568m的坑口碾壓混凝土重力壩，并將在銅街子、抄溪口、巖灘等大壩上部分采用碾壓混凝土 巖灘碾壓混凝土圍堰高543m ，最大日填筑強度達8l8988 日上升高度超過15m，堰體月上升高度達到2530m， 月填筑強度達到76333m ，混凝土的水泥用量3545kgm ，摻粉煤灰lOOkg左右，為這種壩型的選甩開創了誘人的前景。我國具有比較完善的重力壩和拱壩的優化程序，可以根據工程的具體條件得出壩體最優體型東江拱壩對壩縫灌漿系統進行了優化，采用造孔式雙回路系統，簡化了工藝提高了灌漿的質量，減少了堵塞事故。土石壩壩型對壩址地質條

5、件的適應性較強，在技術，經濟上都具有較大的潛力，將是我國今后大力發展的壩型 我國已成功地建成了各種類型的土石壩。壩高l 038m的魯布革土石壩利用軟巖風化料做防滲體，獲得良好的效果，為土石壩防滲料新料源創造丁經驗。鋼筋混凝土面板堆石壩有很多優點，是一種很有競爭力的壩型，已在我國不少中小型工程中采用。關門山和成屏面板堆石壩已建成蓄水； 壩高1o5m 的西北口面板堆石壩已基本建成， 獲得不少經驗。天生橋一級水電站大壩高180m 已決定采用這種壩型， 目前，正針對其關鍵技術問題進行攻關研究。現已取得一批可喜的研究成果。(三)壩基開挖設計的優化我國過去對壩基開挖要求偏嚴， 近年來已有所改變。l gB5

6、年頒發的混凝土重力壩設計規范補充規定已放寬了壩基巖石利用標準。壩高240m的二灘拱壩， 根據實際地質條件，經深入研究論證，并經國外專家咨詢， 決定利用偏微風化的弱風化巖體做壩基。并允許下游面部分壩基放在偏強風化非卸荷的弱風化巖體上， 較按我國拱壩設計規范要求的標準其開挖量太幅度減少。此外， 水口、巖灘等工程的壩基開挖設計也做了優化， 減少了開挖工程量(四)壩基處理設計的優化在弱透水巖基內進行帷幕灌漿往往吃漿很少， 所起作用不太。魯布革大壩經研究論證，決定不按單位吸水率標準進行帷幕灌漿 而只對帷幕鉆孔探查到的重要裂煦區進行灌漿， 并將帷幕鉆孔由雙排改為單排， 河床段帷幕鉆孔深度減少了2gm。水口

7、壩基為完整的花崗巖。原設計為兩排灌漿帷幕， 并對大部分壩基進行周結灌漿。經設計優化改為一排帷幕， 并減少壩基周結灌漿范圍， 節約投資200余萬元。東江拱壩壩基存在壩前斷裂F，及F ， 距壩踵gl oom。國外對這類斷層曾采取復雜的處理措施 東江拱壩從實際地質情況出發， 經大量的科學研究和分析計算， 決定不進行專門的處理。經運行證明， 設計決定是正確的。銅街子水電站壩基地質十分復雜，存在左 右兩個深槽及玄武巖層間錯動帶。左深槽覆蓋層深7O余米， 并有厚2O余米的細砂層。槽壁陡峭， 呈葫蘆形。設計采用兩道混凝土防滲墻封閉深槽， 為了解決槽內細砂層液化問題，在堆石壩壩基范圍， 用75kW大功率振沖器

8、穿透漂卵石層對細砂層進行振沖樁加固處理。對玄武巖層間錯動帶C 的處理，以往多次研究選用深齒槽處理方案， 齒槽深達28m， 施工十分困難。后經設計優化， 采用高壓旋噴水泥灌漿置換C中泥化物的方案。旋噴水壓力3oMPa，經用im直徑大口徑鉆機鉆孔檢查效果良好(五)消能肪沖設計的優化近年來我國在解決高水頭大流量泄洪的消能防沖方面有不少新進展。高壩泄洪， 我國多采用挑流消能方式。在窄峽谷壩址， 發展了將泄洪水流縱向拉開、橫向適當擴散， 并封堵回流的消能設計原則 根據試驗研究成果設計出多種鼻坎形式， 以控制挑流水舌的出流方向、落點等要求。龍單峽水電站泄洪落差大、下游河道窄 抗沖能力差， 解 消能防沖問題

9、難度極大。經設計優化，合理布置了各種泄洪建筑物，配以各種形式的挑流鼻坎(曲面貼角窄縫式鼻坎、陡拐斜坎鼻坎 曲面轉折擴散斜鼻坎等)，大大降低了沖坑深度，輔以岸坡防護工程，解決了這個難題。烏江渡 東江等工程也以類似的方式取得了泄洪消能防沖設計的成功經驗。風灘空腹拱壩從壩頂宣泄20400m ,Is設計洪水 采用高低坎太差動挑流消能工， 挑流水舌在空中摻氣對撞、分散落水， 消能效果良好， 沖坑深度減少百分之50 中水頭太單寬流量的消能防沖問題， 當下游抗沖能力低耐，解決起來也很困難 安康五強溪等工程都遇到此類問題。經多年研究優化安康和五強溪水電站均采用了聯合消能工的消能方式， 形成三元水躍， 提高消能

10、效果。五強溪采用寬尾墩一底孔一消力池聯合消能工， 設計單寬流量達285ms， 較原設計方案縮短溢流前沿24m， 并縮短了護坦的長度此外， 我國混凝土重力壩設計規范樸充規定降低了消能舫沖的設計洪水標準， 為設計優化提供了依據(六)防空蝕設計的優化防止高速水流的空蝕作用是泄洪建筑物設計的又一重大課題。過去主要靠選擇合理的過流體形、嚴格控制過流表面平整度、采用抗磨材料等措施解決。近年來我國廣泛采用摻氣磺蝕措施， 取得了防空蝕優化設計的新經驗 馮家山、烏江渡、白山等工程采用摻氣減蝕措施， 不僅可以大大降低不平整度的控制標準，簡化施工，并大大提高了防空蝕的可靠性(七)岸邊濫洪道離邊被設計的優化開挖岸邊溢

11、洪道常發生高邊坡穩定問題。過去多以放緩開挖坡度增加邊坡穩定。然而往往開挖坡度愈緩，邊坡愈高，穩定問題愈大，形成惡性循環。近年吸取國外先進經驗， 在很多情況下可采取垂直邊坡開挖，靠預裂爆破、及時噴錨、排除地下和地表水、對不穩巖體結構面進行必要的加固處理等措施保證邊坡穩定。魯布革岸邊濫洪道采用垂直邊坡開挖，比碌設計1：03邊坡最大坡高由105m減少到75m，開挖量由88萬m減少至60萬m 水口水電站辭也采用了垂直邊坡開挖。(八)引水蠢筑物設計的優化岸邊引水洞不太長時， 采用單機單洞布置較易適應地質條件，可避免岔管、蝴操閿等復雜結構，并?？刹辉O調壓井。采用地下廠房時，宜盡量縮短壓力引水洞段， 相應加

12、長尾水嗣段 自山、二灘、天生橋一級等水電站的引水系統均按此原則進行優化設計。白山水電站右岸布置3條單機引水洞， 為了減少進水口的開挖量， 3個進水El采用倒品字形布置， 其后引水洞幅射放開。=灘兩條尾水洞，其中一條是利用導流嗣段改建的， 并允許該洞短時出現明滿流過渡流態。壩身引水建筑物的優化如： 東江、緊水灘等拱壩成功地采用了壩后背管。這種引水管道布置可減少與壩體施工的干擾， 有利于加快施工進度 壩后背管按鋼襯鋼筋混凝土設計， 允許外包混凝土開裂。根據東江水電站的研究釩襯約承擔50 水壓力。東江、緊水灘等雙曲拱壩上游面向下游傾斜， 進水日布置斜面式門槽，可避免直立式門槽進水El外仲很長的閘墩，

13、 改善應力條件， 節約投資(九)地下洞宣襯護設計的優化過去多以圍巖壓力作為荷載進行地下洞室襯翻設計， 比較保守 近年來殫j考慮國巖自身承載能力， 廣泛采用噴錨做永久支護。對個別不穩巖體進行個別處理；對比較破碎、軟弱圍巖則以噴錨為臨時支護， 而永久支護剮考慮臨時支護的作用設計為復合式樹砌。這樣進行的優化設計大大節約了投資， 加快了工期 例如魯布革主廠房洞室頂拱跨度為l9m，采用噴錨支護， 較混凝土襯砌不僅減少了開挖量，還節省混凝土約22萬m ，鋼材11 OOt和大量術材。引灤工程中大黑汀隧洞，斷面645×57m。，個別嗣段圍巖普氏系數，=I2，采用復合襯砌，初期(臨時)支護采用噴錨，

14、二次(永久)支護為50era厚單筋混凝土襯砌。白山水電站地下主廠房長1215m、跨度25m、高54m， 采用噴錨作為永久支護。主廠房下游邊墻與主變壓器嗣上游邊墻之間為厚僅165m的巖墻， 其間有7條洞穿過，并有對高邊墻穩定很不利的斷層通過。由于采用預應力錨索、長錨桿、噴錨、錨洞以及合理的開挖程序和先進的開挖工藝等措施， 因而l捉功地解決了該工程的下游高邊墻穩定問題(十)地下廠房設計的優化地下廠房設計的優化包括： 合理選擇地下廠房洞室韻位置、主廠房軸線方向， 及洞室的布置等。我國許多大型地下廠房如白山、魯布革、二灘等工程在這些方面都進行了設計優化， 在很復雜的巖層中選出最傀廠房位置； 廠房軸線方

15、向與主要地質斷裂方向有較大的交角， 并與最大地應力方向盡量一致， 為廣麂系統圍巖穩定提供最有利 條件； 魯布草水電站地下廠房布置采用斜向進水， 連同采用巖壁吊車粱等措施， 使廠房跨度由原設計的24m縮窄至l8m。我國水工優化設計的成就是很多的 以上列舉情況遠不能全面概括二、進一步優化水工設計的途徑(一)采用先進臺理的樞紐布置采用先進合理的樞紐布置方案對水工設計的優化具有重要意義樞紐布置方案應適應地質、地形、水文等條件。由于與地質條件不相適應造成工程失利或保守浪費的例子是不少的。在樞紐布置中還應積極采用國內外先進技術經驗和科研成果。要特別重視泄洪消能布置的優化(二)發晨和推廣折壩型混凝土面板堆石

16、壩和碾壓混凝土壩具有造價低， 建設速度快的優點， 潛力很大， 應大力發展，在條件適宜的壩址應積極推廣采用。面板堆石壩施工并不十分復雜， 但必需嚴格按設計要求施工，嚴格對料源的控制，提高施工工藝水平， 進一步改進面板細部結構， 解決好面板與岸坡的可靠聯結問題。碾壓混凝土壩在我國尚處于試點階段，有待大力發展。今后應在吸取國外先進經驗的同時， 結合我國的具體條件， 不斷創造新的經驗， 改善施工工藝， 提高填筑層間的抗剪能力， 同時簡化壩體結構，搞清溫控要求， 為發展我國百米以上的碾壓混凝土重力壩而努力。其他當地材料壩和混凝土壩仍應繼續發展和優化 對當地材料壩筑壩材料要因地制宜， 就近取材， 充分利用

17、開挖料 拱壩應發展比較扁平拱的體形， 如三心圓拱、拋物線拱、螺旋線拱等體形， 以適應壩肩穩定的要求，盡量減少基礎處理工程量。(三)盡量堿少壩基和岸壤的開挖在保證安全的條件下， 盡量減少壩基和岸坡的開挖是水工優化設計的重要途徑。過量的開挖不僅增大開挖和回填混凝土工程量， 而且可能引起不良后果， 產生新的卸荷松馳帶， 引起岸坡失穩等，對安全和經濟效益都很不利。因而應盡量用適當的處理或加固措施代替大量開挖。對壩基開挖要正確估計裂隙風化巖體的承載能力和加固處理的效果； 對岸坡及洞臉開挖要盡量做到早進洞、晚出洞， 降低開挖邊坡的高度， 并采用預裂爆破， 及時噴錨、加強排水等措施，盡可能實現高邊坡垂直開挖

18、。(四)、充分考慮圍巖的承載能力， 憂化地下洞室的襯護設計盡量利用噴錨支護代替塑?；炷烈r砌。對于需要進行混凝土襯砌的洞室， 也要充分考慮圍巖的自穩能力和彈性抗力， 合理確定襯砌的荷載條件 對在雄厚山體中的壓力隧洞，應采用先進合理的設計假定， 匕上素混凝土薄襯砌為主， 盡量以鋼筋混凝土襯砌或預應力素混凝土襯砌代替鋼板襯砌， 以縮短鋼板襯砌段的長度。對于局部不穩巖體或穩定性差的洞段進行各別處理。在進行永久支護時應考慮臨時支護的作用。(五)采用先進的設計標準我國有些水工設計規范已頒發多年。隨著技術的進步和工程經驗的積累， 有些規范條文顯得落后了，需進行修改補充。I 985年頒發了混凝土重力壩設計規范SDJ2l一78(試行)補充規定， 收到很好的效果。最近正準備對水利水電樞紐工程洪水標準及其他L 些水工設計規范做部分補充修改 今后還應消化吸收國外先進的設計標準 結合我國條件加以采納。根據建設部標準定額司的統一部署， 正在編制水工結