隨著社會的飛速發(fā)展，人與自然和諧相處已日益受到關(guān)注，也對工程審美提出了更高要求。傳統(tǒng)的水工學以工程措施為主要手段，忽略了工程的人文性、景觀性，因此將傳統(tǒng)的水工結(jié)構(gòu)與生態(tài)相融合有著重要的理論意義。１９８３年Ｓｅｉｆｅｒｔ提出“親河川整治”概念［１］，指出工程設(shè)施具備防洪、供水、水土保持等傳統(tǒng)功能的同時還應(yīng)接近自然狀況，既可保持自然景觀，又較經(jīng)濟。Ｏｄｕｍ提出“生態(tài)工程”后［２，３］，Ｈｏｌｚｍａｎｎ將河流植被視為具有多種生態(tài)環(huán)境的多層結(jié)構(gòu)，強調(diào)生態(tài)多樣性在河流治理中的重要性，注重工程治理與自然景觀相協(xié)調(diào)。而我國對生態(tài)水工結(jié)構(gòu)的研究相對較晚且較少。鑒此，本文在傳統(tǒng)水工結(jié)構(gòu)設(shè)計型式的基礎(chǔ)上，對簡單的景觀重力壩進行了結(jié)構(gòu)分析與計算。

１景觀重力壩設(shè)計

１．１設(shè)計思路

國外已將水工美學理論［４］融入水利樞紐的結(jié)構(gòu)型式、整體布置設(shè)計中。傳統(tǒng)的公路混凝土護坡嚴重影響了景觀（圖１（ａ）），但融入生態(tài)設(shè)計理念后的生態(tài)護坡設(shè)計（圖１（ｂ））產(chǎn)生的經(jīng)濟及人文效益卻截然不同［５］。本文提出將公路邊坡生態(tài)設(shè)計理念融入傳統(tǒng)的水工結(jié)構(gòu)設(shè)計中以設(shè)計景觀重力壩。

１．２技術(shù)難點

設(shè)計景觀重力壩時，在傳統(tǒng)重力壩的結(jié)構(gòu)型式上融入生態(tài)水工結(jié)構(gòu)理念，并滿足規(guī)范［６］中的穩(wěn)定與應(yīng)力要求、植物的栽培與生長需求。但還需探索如下問題：護坡選擇何種植物、植物根系的生長對結(jié)構(gòu)安全的影響、結(jié)構(gòu)型式既不影響使用壽命又能改觀景觀效果等。

１．３景觀重力壩計算

景觀重力壩的設(shè)計原則為：保證設(shè)計工程穩(wěn)定，在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下滿足規(guī)范［６］要求，能正常發(fā)揮其效益，同時融入生態(tài)和諧的理念。因此，本文設(shè)計方案為：對最簡單的實體重力壩，在背水面的非溢流壩段設(shè)計生態(tài)水工結(jié)構(gòu)型式［７］，種植草、喬木、灌木、藤類等植物。在不影響安全穩(wěn)定強度的同時實現(xiàn)了較好的景觀效果，詳見圖２。在下游接近水面采用生態(tài)混凝土［８］（即具有一定強度、體積小、自重輕，能形成蜂窩狀空隙，適宜植物生長，并可進行植被作業(yè)），為浮游植物動物提供休憩場所，使水下形成一個良好的生態(tài)系統(tǒng)。

２實例

寧溪水利樞紐為梯級中第一級，以發(fā)電為主，兼顧防洪，工程附近植被良好，沿江風景優(yōu)美。壩基巖石與混凝土的摩擦系數(shù)ｆ＝１．０～１．２，粘聚力ｃ＝０．６～１．０ＭＰａ。其重要擋水泄水建筑物按２級建筑物設(shè)計，假設(shè)壩基面高程０．０ｍ，正常蓄水位８５．０ｍ，相應(yīng)下游水位１５．０ｍ；校核洪水位８９．０ｍ，相應(yīng)下游水位１５．８ｍ；混凝土重度２４ｋＮ／ｍ３。

２．１剖面設(shè)計

根據(jù)規(guī)范［６］要求，非溢流壩段剖面設(shè)計的基本原理［９］為：①滿足穩(wěn)定和強度要求，保證大壩安全；②工程量小，造價低；③結(jié)構(gòu)合理，運行方便；④利于施工，方便維修。在結(jié)合規(guī)范［６］與設(shè)計基本原理的基礎(chǔ)上，融入生態(tài)元素，初步擬定的剖面結(jié)構(gòu)型式及荷載分布見圖３。

２．２抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力分析

２．２．１抗滑穩(wěn)定分析

抗滑穩(wěn)定分析為重力壩設(shè)計中的一項重要內(nèi)容，其目的是核算壩體沿壩基面的安全度。利用抗剪斷公式，可認為壩體混凝土與基巖接觸良好，因此直接采用接觸面上的抗剪斷參數(shù)ｆ′和抗剪斷凝聚力ｃ′計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：中，∑Ｗ為接觸面以上的總鉛直力；Ｕ為作用在接觸面上的揚壓力；Ａ為接觸面面積；∑Ｐ為接觸面以上的總水平力。

２．２．２應(yīng)力分析

應(yīng)力分析［９］是為檢驗大壩在施工期和運用期是否滿足強度要求，同時也為壩體混凝土標號分區(qū)和某些部位的配筋等問題提供依據(jù)。采用材料力學方法按最不利工況（施工完建期）計算景觀重力壩的應(yīng)力，并進行抗滑穩(wěn)定分析。假定：①壩體混凝土為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈性材料。②視壩段為固接于地基上的懸臂梁，不考慮地基變形對壩體應(yīng)力的影響，并認為各壩段獨立工作，橫縫不傳力。③假定壩體水平截面上的正應(yīng)力σｙ按直線分布，不考慮廊道等對壩體應(yīng)力的影響。式中，γ０為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；ψ為設(shè)計狀態(tài)系數(shù)；Ｓ（•）為作用效應(yīng)函數(shù)；Ｒ（•）為抗力函數(shù)；Ｆｄ為荷載作用的設(shè)計值，ｋＮ；αＫ為幾何對標準值；γｄ為短暫結(jié)構(gòu)系數(shù)；ｆｄ為材料性能的設(shè)計值；Ｂ為計算截面長度，ｍ；ｍ為壩體下游的邊坡系數(shù)；Ｒａ為混凝土的抗壓強度，ｋＰａ；∑Ｍ為作用于計算截面以上全部荷載對計算截面形心的力矩總和，逆時針方向為正，ｋＮ•ｍ。為尋找合理的設(shè)計斷面，根據(jù)規(guī)范［６］要求，編寫了Ｅｘｃｅｌ計算程序進行抗滑穩(wěn)定性分析及應(yīng)力分析，相關(guān)計算參數(shù)見表１、２。由表３可看出，在壩址處出現(xiàn)了－５９．２５ｋＰａ的拉應(yīng)力，滿足規(guī)范［６］中施工期壩面允許出現(xiàn)不大于０．１ＭＰａ的拉應(yīng)力。根據(jù)規(guī)范［６］，本文采用的施工期工況屬于短暫工況，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為γ０＝１．０，設(shè)計狀態(tài)系數(shù)為ψ＝０．９５，短暫結(jié)構(gòu)系數(shù)為γｄ＝２．４。按式（２）計算所得壩址抗壓強度承載能力結(jié)果見表４。由表４可看出，ｒ０ψＳ（•）＜Ｒ（•）／γｄ。且在施工完建期壩踵處垂直應(yīng)力均小于０．１ＭＰａ，壩址抗壓也滿足規(guī)范［６］要求。

２．３預期效果圖

基于本文構(gòu)想，在寧溪水利樞紐工程基礎(chǔ)上繪制景觀重力壩的效果示意圖，見圖４。

３結(jié)語

ａ．為使水利工程與自然景觀相融合，提出了景觀重力壩的構(gòu)想。改變了傳統(tǒng)重力壩結(jié)構(gòu)型式，既能滿足相關(guān)規(guī)范要求也能改善景觀效果。