景观重力坝构想

随着社会的飞速发展，人与自然和谐相处已日益受到关注，也对工程审美提出了更高要求。传统的水工学以工程措施为主要手段，忽略了工程的人文性、景观性，因此将传统的水工结构与生态相融合有着重要的理论意义。１９８３年Ｓｅｉｆｅｒｔ提出“亲河川整治”概念［１］，指出工程设施具备防洪、供水、水土保持等传统功能的同时还应接近自然状况，既可保持自然景观，又较经济。Ｏｄｕｍ提出“生态工程”后［２，３］，Ｈｏｌｚｍａｎｎ将河流植被视为具有多种生态环境的多层结构，强调生态多样性在河流治理中的重要性，注重工程治理与自然景观相协调。而我国对生态水工结构的研究相对较晚且较少。鉴此，本文在传统水工结构设计型式的基础上，对简单的景观重力坝进行了结构分析与计算。

１景观重力坝设计

１．１设计思路

国外已将水工美学理论［４］融入水利枢纽的结构型式、整体布置设计中。传统的公路混凝土护坡严重影响了景观（图１（ａ）），但融入生态设计理念后的生态护坡设计（图１（ｂ））产生的经济及人文效益却截然不同［５］。本文提出将公路边坡生态设计理念融入传统的水工结构设计中以设计景观重力坝。

１．２技术难点

设计景观重力坝时，在传统重力坝的结构型式上融入生态水工结构理念，并满足规范［６］中的稳定与应力要求、植物的栽培与生长需求。但还需探索如下问题：护坡选择何种植物、植物根系的生长对结构安全的影响、结构型式既不影响使用寿命又能改观景观效果等。

１．３景观重力坝计算

景观重力坝的设计原则为：保证设计工程稳定，在承载能力极限状态和正常使用极限状态下满足规范［６］要求，能正常发挥其效益，同时融入生态和谐的理念。因此，本文设计方案为：对最简单的实体重力坝，在背水面的非溢流坝段设计生态水工结构型式［７］，种植草、乔木、灌木、藤类等植物。在不影响安全稳定强度的同时实现了较好的景观效果，详见图２。在下游接近水面采用生态混凝土［８］（即具有一定强度、体积小、自重轻，能形成蜂窝状空隙，适宜植物生长，并可进行植被作业），为浮游植物动物提供休憩场所，使水下形成一个良好的生态系统。

２实例

宁溪水利枢纽为梯级中第一级，以发电为主，兼顾防洪，工程附近植被良好，沿江风景优美。坝基岩石与混凝土的摩擦系数ｆ＝１．０～１．２，粘聚力ｃ＝０．６～１．０ＭＰａ。其重要挡水泄水建筑物按２级建筑物设计，假设坝基面高程０．０ｍ，正常蓄水位８５．０ｍ，相应下游水位１５．０ｍ；校核洪水位８９．０ｍ，相应下游水位１５．８ｍ；混凝土重度２４ｋＮ／ｍ３。

２．１剖面设计

根据规范［６］要求，非溢流坝段剖面设计的基本原理［９］为：①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量小，造价低；③结构合理，运行方便；④利于施工，方便维修。在结合规范［６］与设计基本原理的基础上，融入生态元素，初步拟定的剖面结构型式及荷载分布见图３。

２．２抗滑稳定及应力分析

２．２．１抗滑稳定分析

抗滑稳定分析为重力坝设计中的一项重要内容，其目的是核算坝体沿坝基面的安全度。利用抗剪断公式，可认为坝体混凝土与基岩接触良好，因此直接采用接触面上的抗剪断参数ｆ′和抗剪断凝聚力ｃ′计算抗滑稳定安全系数：中，∑Ｗ为接触面以上的总铅直力；Ｕ为作用在接触面上的扬压力；Ａ为接触面面积；∑Ｐ为接触面以上的总水平力。

２．２．２应力分析

应力分析［９］是为检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求，同时也为坝体混凝土标号分区和某些部位的配筋等问题提供依据。采用材料力学方法按最不利工况（施工完建期）计算景观重力坝的应力，并进行抗滑稳定分析。假定：①坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料。②视坝段为固接于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独立工作，横缝不传力。③假定坝体水平截面上的正应力σｙ按直线分布，不考虑廊道等对坝体应力的影响。式中，γ０为结构重要性系数；ψ为设计状态系数；Ｓ（•）为作用效应函数；Ｒ（•）为抗力函数；Ｆｄ为荷载作用的设计值，ｋＮ；αＫ为几何对标准值；γｄ为短暂结构系数；ｆｄ为材料性能的设计值；Ｂ为计算截面长度，ｍ；ｍ为坝体下游的边坡系数；Ｒａ为混凝土的抗压强度，ｋＰａ；∑Ｍ为作用于计算截面以上全部荷载对计算截面形心的力矩总和，逆时针方向为正，ｋＮ•ｍ。为寻找合理的设计断面，根据规范［６］要求，编写了Ｅｘｃｅｌ计算程序进行抗滑稳定性分析及应力分析，相关计算参数见表１、２。由表３可看出，在坝址处出现了－５９．２５ｋＰａ的拉应力，满足规范［６］中施工期坝面允许出现不大于０．１ＭＰａ的拉应力。根据规范［６］，本文采用的施工期工况属于短暂工况，结构重要性系数为γ０＝１．０，设计状态系数为ψ＝０．９５，短暂结构系数为γｄ＝２．４。按式（２）计算所得坝址抗压强度承载能力结果见表４。由表４可看出，ｒ０ψＳ（•）＜Ｒ（•）／γｄ。且在施工完建期坝踵处垂直应力均小于０．１ＭＰａ，坝址抗压也满足规范［６］要求。

２．３预期效果图

基于本文构想，在宁溪水利枢纽工程基础上绘制景观重力坝的效果示意图，见图４。

３结语

ａ．为使水利工程与自然景观相融合，提出了景观重力坝的构想。改变了传统重力坝结构型式，既能满足相关规范要求也能改善景观效果。