（姚福海）

摘要:参照工民建行业的概念设计经验，对水工建筑物的概念设计进行了初步总结，提出了应重点关注的方向。

关键词:输水建筑物、大坝 、抗震、 安全措施。

1. 概述

在工民建行业，概念设计是建筑物总体设计的重要组成部分。正如国际结构设计大师林同炎所言：“概念设计是工程师运用整体思维，在不依赖精确计算的前提下，通过对结构受力本质、地震作用规律的理解，确定结构的整体布局、传力路径和抗震路线。结构计算只是演证概念设计的工具，而非设计的起点。”著名结构工程师张卫全将工民建行业的概念设计原则归结为“简单、规则、对称布局→多道抗震防线→刚性与延性平衡”三部曲。

用上述概念设计思想分析一些著名大教堂（图1为悉尼圣玛丽亚大教堂）几百年屹立不倒的原因，就会发现，基础稳固、结构对称、拱连拱形成的大刚度布局，再加上建造者内心虔诚、精雕细刻是教堂成为精品建筑的主要因素。

图1 悉尼圣玛丽亚大教堂的对称结构（左），教堂内部拱连拱形成的刚性稳定结构（右）

与工民建行业相比，几千年来，水工建筑物设计也在不自觉的践行概念设计统领布局的指导思想。如：（1）都江堰水利枢纽（图2左所示）体现了“泄水建筑物应顺应河流的天性，引水建筑物进口要避开洪水的锋芒”的指导思想。（2）上世纪八十年代的葛洲坝船闸采用了“静水通航，动水冲沙，辅助以机械清淤”的设计原则（图2右所示）。（3）当今的水工隧洞设计牢牢抓住“围岩就是最主要的承载结构，钢模台车衬砌后的糙率不会超过0.0125”的理念。（4）汶川大地震后，震区地下建筑物基本完好无损的情况说明，约束较弱的地面建筑物高凸部位才是抗震设计的重点等。

为全面总结水工建筑物的概念设计经验，下文拟分类进行提炼总结。

图2  都江堰水利枢纽（左）                      葛洲坝船闸及冲沙闸（右）

2. 环境条件常常制约抽水蓄能电站高压管道的布置形式

环境条件包括自然和管理运行环境两大类。环境条件对高压管道布置形式的影响，主要体现在以下3个方面。

2.1“一洞四机”和“两洞四机”分别对应不同的运行管理环境

“一洞四机”布置形式最大的特点是，土建工程量相对较小，但当机组球阀改造或输水建筑物放空检修时，需要全厂停机。若项目归电网公司所有，则全厂停机期间，通过全网调度协调，可由网内其它同类项目开足马力临时顶替运行。因此，归电网公司所有的抽水蓄能电站，采用“一洞四机”布置形式在运行管理上是可行的。反之，若项目位于发电企业的电源供给侧，并承担其风、光、储清洁能源基地的储能和调节功能，则“两洞四机”布置形式是最佳选择。

2.2在地质条件良好前提下，高压管道的衬砌形式受制于运行环境条件。

在西北等水资源稀缺地区，有不少抽水蓄能电站的外购水源价格超过了3元/m³。为尽可能减少渗漏损失，高压管道衬砌常采用渗漏量较小的钢衬形式。若将来材料成熟，还可研究在围岩上涂刷新型防水材料。相反，在南方水资源充足地区，只要地质条件允许，高压管道多采用按透水理念设计的钢筋混凝土衬砌形式。

2.3温度荷载影响钢筋混凝土长斜井的结构设计

高压长斜井的钢筋混凝土衬砌是否要每隔30m左右设置环向结构缝？目前有两种概念设计观点。一是若按透水理念设计，就不用设环向结构缝。二是要高度重视温度荷载对长斜井结构安全的影响，从防裂控制考虑，需要设置环向结构缝。作者对此调研后的基本观点是：

（1）钢筋混凝土长斜井需要结合项目所处的环境条件，进行温度应力和伸缩量计算。其中，温度荷载引起的斜井衬砌伸缩量△L=α·△T· L /2(1-μ)，式中，α为混凝土的线膨胀系数，μ为混凝土的泊松比，△T为温度荷载，L为斜井的长度。施工期的温度荷载需要确定蓄水前斜井混凝土是否越冬。运行期的温度荷载需要确定库水温度的年最大变化情况。

（2）位于北方年温差大或水资源比较稀缺的项目，为防止温度荷载对长斜井产生多处贯穿性的有害裂缝，需要依据温控计算结果，设置适当数量的环向结构缝。为不影响斜井滑模作业，位于结构峰内的铜止水及其上下诱导铁皮应随衬砌钢筋绑扎安装一次到位。

（3）若项目位于年温差较小的南方多雨地区，且斜井的长度较小，经温控计算分析，仅需在地质条件变化比较大的部位设置环向结构缝。

3.大坝抗震概念设计需要正视“三重三轻”现象

3.1大坝抗震概念设计经验已经成熟

主要有：（1）地震荷载较大的拱坝，为了增大坝顶拱圈的抗震刚度，有的未设表孔，而是在岸边布置了泄洪洞（图3左为大岗山拱坝）。有的在表孔上部布置了大尺寸的连接横梁（图3右为二滩拱坝）。（2）为应对地震工况下，土石坝上部的鞭梢效应，在下游坝坡上布置了土工格栅和压重体（图4左为瀑布沟大坝）。（3）地震设防烈度较高的坝后式厂房普遍布置了多道圈梁，形成了空间抵抗效应。有的坝后厂房还针对特殊的峡谷地形条件在厂房上部设置了防护网（图4右为深溪沟坝后厂房）。

图3 大渡河大岗山拱坝（左）                和雅砻江二滩拱坝（右）

图4 大渡河瀑布沟砾石土心墙堆石坝坝后压重平台（左）           深溪沟坝后厂房（右）

3.2大坝抗震概念设计存在的“三重三轻”现象需要高度重视

主要有：（1）堆石坝的抗震设计重下游轻上游。有的心墙堆石坝在坝顶下游的边坡内铺设了土工格栅，但未重视低水位情况下坝顶上游边坡的抗震措施。有的面板堆石坝未重视混凝土面板在来自下游地震情况下的抗折断问题等。（2）堆石坝的抗震设计重材料轻坡比。土工格栅的耐久性与土石坝相差甚大。有的堆石坝下游设置了压重体，坝顶下游边坡具备用施工弃渣培厚变缓的条件，但却布置了土工格栅。（3）混凝土坝的抗震设计重坝体轻设备。坝顶门机的抗震参数与坝体存在不对应现象。

4.永临结合设计理念日渐成熟

主要有：（1）当布置条件具备时，土石坝下游围堰防渗墙可按永久设计，后期改建为大坝的量水堰。（2）地下厂房附近的施工支洞后期可改建为部分设备仓库。（3）施工供水、供电系统与机组冷却水源和厂用电系统结合布置。（4）为简化管理，使用期限超过8年的临时用地可按永久土地征用等。

5.概念设计与计算的关系日渐明朗

水工建筑物的结构、泄流能力等计算已非常成熟，且较为精准。但有的计算内容受边界条件的限制，其结果与实际相比出入较大。常用的概念设计对策有：（1）高坝下游的泄洪雾化区的治理先河床后岸坡，通过依据运行初期的监测情况，实行分期治理。（2）泄洪冲刷深度主要通过水工模型试验确定。（3）水工隧洞衬砌结构在放空后高外水荷载作用下的安全问题可通过加长锚杆形成的”胡子筋”增大安全储备。（4）土石坝下部的河床覆盖层抗滑稳定，可结合压重变形后孔隙率的变化情况对覆盖层的天然力学参数进行适当修正等。

6.结语

水工建筑物的概念设计是在已有理论和实践经验的基础上，站在理性认知高度，为方案设计把脉定向。与工民建行业相比，水工建筑物的耐久性和安全性更高。在宏观概念设计上，不宜侵占江河过多的空间，需想方设法与大自然和谐相处。在结构概念设计上，既要顺应环境特点，体现绿色建造要求，又要形成多道安全防线。 

姚福海（1964.10—），男，陕西渭南人。正高级工程师，国家注册岩土工程师。退休前主要从事大型水电工程设计和工程管理工作。

（图、文均由作者提供，文责自负）