水利工程大坝结构设计分析

引言

在新时代的背景下，水库大坝安全自动监测系统的建设显得尤为重要。这一系统不仅能够辅助水库大坝的安全智能建造，还能对变形进行安全监测预警，从而有效解决水库大坝、山洪等水安全隐患早期识别、预警及时性和准确性不高的问题。大坝结构设计的合理性直接关系到大坝的安全稳定性和使用寿命，以及整个水利工程效益的发挥。随着水利工程建设技术的不断发展，对大坝结构设计提出了更高的要求。因此，深入研究水利工程大坝结构设计具有重要的现实意义。

1 大坝结构设计基本原则

1.1 安全性原则

大坝必须具备足够的强度和稳定性，能够承受各种荷载作用，包括自重、水压力、扬压力、地震力等，确保在正常运行和极端工况下不发生滑动、倾覆、开裂等破坏现象，保障下游地区人民生命财产安全和基础设施安全。

1.2 适用性原则

根据水利工程的功能需求，合理确定大坝的规模、坝型和结构形式，满足防洪、灌溉、发电等不同功能要求。同时，要考虑大坝与周边建筑物及环境的协调性，便于工程的运行管理和维护。

1.3 经济性原则

在满足大坝安全和使用要求的前提下，优化设计方案，合理选用建筑材料，降低工程投资。通过科学的结构设计和施工组织设计，减少工程量和施工难度，提高工程建设的经济效益。

1.4 耐久性原则

考虑大坝长期处于水下或干湿交替等恶劣环境，结构设计应采取有效的防渗、抗冻、抗冲磨等措施，选用耐久性好的材料，确保大坝结构在设计使用年限内能够保持良好的工作性能，减少维修和加固费用。

2 大坝结构设计要点

2.1 大坝建设的基石

地质勘查的深度和广度，密切联系着大坝工程设计精度和施工安全性。在地质勘查阶段，要求工程师深谙地质学，并熟练运用专业技术工具，全面细致探查工程区域地质构造、成因及水文地质条件。工程师需详尽分析工程区域地质构造，了解地壳运动历史，识别断层、褶皱等主要构造线，并评估其对大坝稳定性的影响。以大坝为例，工程师深入探究长江流域地质构造，特别是坝址地质特征，选址时要避开主要构造带。地质成因涉及岩石形成过程、类型及分布规律，直接影响大坝基础稳定性与施工难度。工程师需利用钻探、取样、试验等手段，获取地基岩石的硬度、抗压强度、抗剪强度等力学性质，以及风化程度、裂隙发育情况等数据。工程师需查明各岩层厚度、倾角、岩性及其相互关系，特别关注软弱夹层存在与否及其性质。需特别留意断裂带存在与活动情况，因其可能成为地下水渗流与地震波传播通道，对大坝安全构成威胁。工程师需运用地质调查、遥感技术、地震监测等手段，精确识别断裂带位置、规模及活动性质，并在设计中采取防渗与抗震措施。工程师需综合分析工程区域地形地貌、地质结构、降雨条件等，评估滑坡等地质灾害发生概率及危害程度。在大坝勘查过程中，工程师即发现多处潜在滑坡体，并采取加固与防护措施，保障建设安全。通过水文地质调查、地下水动态监测等手段，了解地下水补给来源、流动路径、水位变化及水质特征，并评估其对大坝基础稳定性的影响。在岩溶发育地区，还需特别注意岩溶洞穴分布及其对大坝防渗性能的影响，采取相应防渗措施，确保大坝安全。

2.2 溢洪道安全监测系统

为了监测溢洪道表面的变形情况，采用全球导航卫星系统（GNSS）技术。在启闭机房与交通桥之间的两个中墩和两个边墩上分别设置 GNSS 监测站，共计4 个监测站点。同时，在溢洪道两岸的稳定区域内，各设立一个GNSS 基准站，以实现表面水平位移的实时监测。鉴于斗笠冲溢洪道已具备市电接入的条件，GNSS 系统采用了有线供电和光缆通信的方式，以确保监测工作的稳定与高效。

2.3 防渗与排水设计

（1）防渗设计：防渗是大坝结构设计的重要内容，可有效减少水库渗漏，提高大坝稳定性。对于混凝土坝，通常采用帷幕灌浆对坝基进行防渗处理，在坝体内部设置防渗层或止水设施，防止水流从坝体接缝处渗漏。对于土石坝，可采用心墙、斜墙等防渗体，如黏土心墙、混凝土防渗墙等，同时做好坝基和坝体与岸坡结合部的防渗处理。（2）排水设计：合理的排水设计可降低坝体和坝基内的渗透压力，增强大坝稳定性。混凝土坝可在坝基设置排水孔幕，在坝体内部设置竖向排水孔。土石坝则可在坝体下游设置棱体排水、贴坡排水等设施，及时排除坝体渗水。

2.4 结构设计：大坝安全的保障

在大坝工程设计的初始阶段，工程师深入整合地质勘查数据，系统分析地基岩石力学特性、地层分布及地质灾害风险。在地质稳定、岩石坚硬区域，重力坝因其结构简单且稳定，成为优先选项；而地质复杂、地基软弱地区，则倾向选择拱坝或土石坝，以适配地基并分散水压。为精准确定大坝高度，工程师运用水文模型模拟计算，综合考虑河流流量、水位变化及洪水频率等要素，预测不同高度大坝的蓄水与泄洪能力，选定满足需求且安全的高度。在坝型选择上，工程师依据地质勘查与水文特征，全面评估直线坝、曲线坝、折线坝等坝型的优劣，结合工程需求，做出合理选择。并且，他们深入分析坝型对水流的影响，精心设计以确保泄洪时水流顺畅，避免对坝体造成冲击破坏。综合考虑材料强度、耐久性及抗渗性，主体结构常采用高强度、高耐久性混凝土或钢筋混凝土，防渗层则可能选用防渗性能更优的橡胶膜、塑料膜或沥青混凝土。在结构设计的核心环节，工程师运用有限元分析等数值模拟方法，全面模拟大坝在不同工况下的受力情况，包括水压、风压及地震力等，确保大坝承受各种外力时保持稳定。特别加强坝基、坝肩、溢洪道等关键部位的设计，增加结构强度，增强稳定性，提高大坝的抗灾能力。根据地质勘查与水文特征，分析大坝潜在的渗漏问题，并采取针对性措施。在岩溶发育地区，采用注浆封堵、设置防渗墙等方法防止地下水渗漏。坝基与河床间，则铺设防渗膜或设置防渗层阻隔水流。工程师通过合理结构设计，使大坝承受外力时应力均匀分布，避免应力集中导致结构破坏。建立应力监测机制，实时监测大坝应力状态，及时发现并处理应力异常。为进一步提升大坝安全性，工程师安装测斜仪、水准仪等高精度仪器，实时监测大坝变形情况。以大坝为例，其结构设计充分体现上述理念。工程师基于长江流域地质条件和水文特征，选择重力坝类型，并确定合理高度与坝型。材料上采用高强度、高耐久性混凝土，并设置多层防渗措施。通过精确的受力计算和应力控制设计，大坝在承受巨大水压和外载荷时保持稳定。同时，配备完善的变形监测系统，实时监测大坝变形情况，为其长期安全运行提供有力保障。

结语

小型水库点多面广、安全状况不一 , 通过水库大坝安全监测的建设 , 可实时、准确地监测和分析大坝的安全状况 , 为大坝风险隐患提供预警 , 保障水库安全运行。小型水库安全监测设计不仅是监测设施的布置 , 监测设备的选型、后期运行维护和资料分析等要求也是设计的重要内容 , 实施小型水库监测设计对水库监测能力提升具有重要意义。

参考文献：

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