格八拱壩加固設(shè)計(jì)主要問(wèn)題研究

李 莎，羅代明

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽(yáng) 550002）

1 前言

1.1 工程概況

格八水庫(kù)建成于1974年，設(shè)計(jì)正常蓄水位1 155.93 m、死水位1 139.20 m，總庫(kù)容1 000 萬(wàn)m3，屬中型水庫(kù)工程，主要任務(wù)是灌溉、發(fā)電、防洪。水庫(kù)樞紐工程由攔河壩、壩頂溢洪道、引水發(fā)電及灌溉系統(tǒng)組成。大壩為漿砌石單曲拱壩，最大壩高31.1 m，壩頂弧線長(zhǎng)113 m，壩頂寬2 m，底厚12 m。溢流表孔位于壩頂中部，溢流前緣凈寬30 m，設(shè)6孔5 m×3.8 m平板鋼閘門(mén)，跌流消能。

2007年對(duì)大壩進(jìn)行安全鑒定，存在的主要問(wèn)題之一是原有泄洪能力不足，使壩高不能滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)要求；溢洪道堰型不合理，宣泄較大流量時(shí)堰面真空度較高，導(dǎo)致壩體震動(dòng)。因此，確定對(duì)大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

1.2 加固設(shè)計(jì)及主要問(wèn)題

加固設(shè)計(jì)中，為解決泄洪能力不足和泄洪時(shí)壩體振動(dòng)問(wèn)題，經(jīng)多方案比較，最經(jīng)濟(jì)的方法是加高大壩，即在原壩頂以上加高1.2 m，同時(shí)局部改造溢洪道和進(jìn)行壩體壩基防滲灌漿處理。大壩加高方式采用后幫整體式，也就是在老壩體下游全面加厚，從壩基面開(kāi)始加厚新壩體至壩頂部，以滿足壩體的應(yīng)力和穩(wěn)定要求；結(jié)合溢洪道改造，壩體加厚材料采用C15 混凝土。新老壩體結(jié)合面采用人工鑿毛處理、增設(shè)砂漿錨桿、接縫灌漿等，以保證加厚混凝土與原壩體結(jié)合良好。加固設(shè)計(jì)橫剖面，如圖1所示。

基于拱壩的特殊性，采用后幫整體式加厚加高拱壩，最主要的問(wèn)題是新老壩體能否形成整體聯(lián)合受力，新舊壩體不同材料、不同施工時(shí)機(jī)對(duì)拱壩應(yīng)力的影響，新混凝土水化熱對(duì)老壩體溫度應(yīng)力的影響，新老壩體結(jié)合面應(yīng)力狀態(tài)及其相應(yīng)處理措施等。這些問(wèn)題如果處理不好，將使加固工程失敗，留下新的不安全隱患。筆者就不同施工期水位，對(duì)加固后運(yùn)行期老壩體應(yīng)力狀態(tài)、新老壩體結(jié)合面應(yīng)力狀況以及處理方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

圖1 大壩加固設(shè)計(jì)剖面

2 分析手段與模型

加固方案擬定后，首先面臨的是對(duì)壩體應(yīng)力狀態(tài)的分析，必須準(zhǔn)確了解老壩體加固后的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力變化情況。由于本工程壩型為相對(duì)復(fù)雜的拱壩，老壩體的材料是水泥砂漿砌塊石，應(yīng)工期要求新壩體采用C15 常態(tài)混凝土，兩種材料的力學(xué)特性差異較大，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算手段已不能適用。另外，本工程屬加固性質(zhì)，如果為使施工期不影響水庫(kù)正常功能的發(fā)揮，即施工時(shí)水庫(kù)正常蓄水，原壩體將處于變形狀態(tài)；施工完畢后，運(yùn)行期水庫(kù)水位回落，老壩體變形回彈又會(huì)受到新壩體約束。這些都將會(huì)造成老壩體的應(yīng)力惡化?；谝陨显颍瑐鹘y(tǒng)的拱壩計(jì)算手段已不再適用，以有限元為基礎(chǔ)理論的現(xiàn)代先進(jìn)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算技術(shù)就成了首選。

本工程全部計(jì)算均在大型結(jié)構(gòu)分析軟件ADI?NA 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。該軟件是基于有限元技術(shù)的大型通用仿真平臺(tái)，除了能求解線性問(wèn)題外，還具有分析非線性問(wèn)題以及求解結(jié)構(gòu)和涉及結(jié)構(gòu)場(chǎng)之外的多場(chǎng)耦合問(wèn)題。

根據(jù)本工程的實(shí)際情況，按壩體的實(shí)際體型進(jìn)行建模。采用8節(jié)點(diǎn)6面體等參單元分別對(duì)新老壩體及基礎(chǔ)進(jìn)行有限元離散。三維有限元整體網(wǎng)格模型，如圖2所示。

圖2 壩體三維有限元網(wǎng)格全視

3 老壩體應(yīng)力狀態(tài)分析

格八水庫(kù)的首要任務(wù)是灌溉，如果施工期不蓄水，將不能保障來(lái)年農(nóng)田灌溉。但如果施工期不降低水位，又有可能使得加固后運(yùn)行期的壩體應(yīng)力惡化。因此，在保證工程安全的前提下，選擇合適的施工期控制水位，就必須要進(jìn)行大量的計(jì)算分析，以便將壩體的應(yīng)力狀態(tài)控制在允許范圍內(nèi)。

3.1 計(jì)算工況

為了簡(jiǎn)化工作，分析計(jì)算工況時(shí)，僅考慮了施工期可能的兩種極端水位，即正常蓄水位和死水位。分別以這兩種水位為施工期控制水位。加固完成后，水庫(kù)運(yùn)行期也考慮正常蓄水位與死水位，相互組合形成4種控制性計(jì)算情況。

（1）在正常蓄水位下加固，運(yùn)行期壩體在正常蓄水位與溫降條件下的運(yùn)行工況。

（2）在正常蓄水位下加固，運(yùn)行期水庫(kù)水位由正常蓄水位回退到死水位時(shí)，壩體在死水位與溫降條件下的運(yùn)行工況。

（3）在死水位下加固，運(yùn)行期壩體在正常蓄水位與溫降條件下的運(yùn)行工況。

（4）在死水位下加固，運(yùn)行期水庫(kù)水位由正常蓄水位回退到死水位時(shí)，壩體在死水位與溫降條件下的運(yùn)行工況。

計(jì)算中按照壩體穩(wěn)定溫度場(chǎng)施加溫度荷載，其他荷載計(jì)算均遵循常規(guī)方法?？紤]結(jié)合面為剛性連接，不產(chǎn)生有害相對(duì)位移。

3.2 計(jì)算成果分析

（1）在正常蓄水位下加固，運(yùn)行在正常蓄水位。計(jì)算結(jié)果顯示加固后老壩體上游面的應(yīng)力分布規(guī)律與加固前大致相似，但極值發(fā)生變化，第一主應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力發(fā)生在1 137.43 m高程，為0.160 MPa，受拉區(qū)主要分布在左、右兩壩肩區(qū)域，最大值為1.450 MPa。第三主應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在壩踵處，為1.430 MPa，受拉區(qū)域主要分布在左、右兩壩肩處，應(yīng)力值不大，最大值為0.406 MPa。

加固后老壩體下游面第一主應(yīng)力全為拉應(yīng)力，最大值為1.340 MPa，大于加固前的1.07 MPa，約上升25%。第三主應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，最大值為2.370 MPa，小于加固前的3.410 MPa，約下降30%，出現(xiàn)高程相同。

（2）在正常蓄水位下加固，運(yùn)行水位由正常蓄水位回退至死水位。水位回落至死水位后，上游壩面第一主應(yīng)力中，最大壓應(yīng)力值為0.159 MPa，小于加固前上游壩面相應(yīng)應(yīng)力值，約下降50%。最大拉應(yīng)力值為1.211 MPa，大于加固前上游壩面最大拉應(yīng)力值，約上升25%。

加固后壩體下游面第一主應(yīng)力全為拉應(yīng)力，最大值為1.481 MPa，大于加固前的1.063 MPa，約上升40%，出現(xiàn)高程也比加固前高。第三主應(yīng)力基本為受壓，最大值為1.730 MPa，小于加固前的2.314 MPa，約下降25%，出現(xiàn)高程相同。

（3）在死水位下加固，在正常蓄水位下運(yùn)行。在死水位施工條件下，正常蓄水位下運(yùn)行，老壩體上游面的應(yīng)力分布規(guī)律與正常蓄水位施工條件下壩體上游面應(yīng)力分布規(guī)律相似，但應(yīng)力極值不同。

老壩體上游壩面第一主應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力發(fā)生在1 132.43 m 高程，為0.294 MPa，受拉區(qū)主要分布在左、右兩壩肩區(qū)域，最大值為1.271 MPa。第三主應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在1 124.83 m 壩踵處，為1.412 MPa，受拉區(qū)域主要分布在左、右兩壩肩處，但應(yīng)力值不大，最大值為0.192 MPa。

加固后壩體下游面第一主應(yīng)力全為拉應(yīng)力，最大值為1.457 MPa，大于加固前的1.070 MPa，約上升36%，出現(xiàn)高程也比加固前高。第三主應(yīng)力基本為受壓，最大值為2.470 MPa，小于加固前的3.410 MPa，約下降27%，出現(xiàn)高程相同。

（4）在死水位下加固，運(yùn)行水位由正常蓄水位回退至死水位。這種情況下老壩體上游面的應(yīng)力分布規(guī)律與前述第（2）種情況壩體上游面應(yīng)力規(guī)律大致相似，但極值發(fā)生變化。

老壩體上游壩面第一主應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力發(fā)生在1 132.43 m高程處，為0.325 MPa，受拉區(qū)主要分布在左、右兩壩肩區(qū)域，最大值為1.213 MPa。第三主應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在1 124.83 m壩踵處，為1.179 MPa，小于正常蓄水位施工條件，約下降17%，受拉區(qū)域主要分布在左、右兩壩肩處，應(yīng)力值不大，最大值僅為0.056 MPa。

加固后壩體下游面第一主應(yīng)力全為拉應(yīng)力，最大值為1.471 MPa，大于加固前的1.063 MPa，約上升39%，出現(xiàn)高程也比加固前高。第三主應(yīng)力基本為受壓，最大值為1.840 MPa，小于加固前的2.314 MPa，約下降22%，出現(xiàn)高程相同。

總之，與正常蓄水位條件下加固施工相比，死水位條件下施工，上下游面主應(yīng)力分布規(guī)律大致相似，上游面各高程上的第一、三主應(yīng)力值均比正常蓄水位施工條件下相應(yīng)值要小。而下游面上，死水位施工條件下的第一主應(yīng)力值比正常蓄水位施工條件下相應(yīng)值略大，但拉應(yīng)力分布范圍更小，第三主應(yīng)力值略小。

4 新老壩體結(jié)合面應(yīng)力狀態(tài)及處理措施

在拱壩設(shè)計(jì)中，完建后的壩體中部應(yīng)力狀態(tài)，不是設(shè)計(jì)者關(guān)注的重點(diǎn)。但對(duì)于后幫整體式加固的格八水庫(kù)大壩來(lái)說(shuō)，特別是新老壩體采用了不同特性的材料，其受力特征不同，加固后需要達(dá)到聯(lián)合受力的狀態(tài)，就必須要對(duì)結(jié)合面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼Ｒ虼?，結(jié)合面的應(yīng)力狀態(tài)就成為加固工程的重點(diǎn)分析內(nèi)容，特別是結(jié)合面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力直接影響著處理措施方案。結(jié)合面上的應(yīng)力計(jì)算，其手段和工況與前述加固后老壩體應(yīng)力分析相同。

4.1 結(jié)合面法向正應(yīng)力

在正常蓄水位下加固，運(yùn)行在正常蓄水位時(shí)，壩頂高程以下約1/3 高度區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，最大壓應(yīng)力為0.137 MPa。壩中部局部有壓應(yīng)力出現(xiàn)，數(shù)值較小，大部分為拉應(yīng)力。壩體下部約1/3高度區(qū)域內(nèi)全為拉應(yīng)力，數(shù)值有所增大，最大拉應(yīng)力為0.104 MPa。當(dāng)庫(kù)水位回退到死水位運(yùn)行時(shí)，只在壩體中部以上靠近壩肩處以及壩頂處有局部壓應(yīng)力出現(xiàn)，數(shù)值不大，整個(gè)斷面上基本為拉應(yīng)力，隨著高程降低，拉應(yīng)力逐步增大，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在壩底部，為0.132 MPa。

在死水位下加固、正常蓄水位運(yùn)行時(shí)，整個(gè)斷面上基本為壓應(yīng)力，最大值為0.144 MPa，在壩頂中部及起拱高程處有局部拉應(yīng)力出現(xiàn)，拉應(yīng)力數(shù)值很小，最大值僅為0.092 MPa。當(dāng)水庫(kù)水位回退到死水位運(yùn)行時(shí)，斷面的中部為壓應(yīng)力，在左右兩端為拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在壩頂，為0.242 MPa。隨著高程減小，左、右壩肩處拉應(yīng)力值逐漸增大，最大值出現(xiàn)在壩底高程處，為0.122 MPa。

法向拉應(yīng)力對(duì)結(jié)合面的法向位移影響較大，新老壩體要作為整體承載，應(yīng)保證結(jié)合面完整不開(kāi)裂。由以上分析看出，對(duì)比結(jié)合面法向拉應(yīng)力，死水位加高方案更為合理。

4.2 結(jié)合面剪應(yīng)力

結(jié)合面剪應(yīng)力有橫向剪應(yīng)力和豎向剪應(yīng)力。前述4 種情況下的剪應(yīng)力有較大的變化，但絕對(duì)數(shù)值不高。

在正常蓄水位下加固、運(yùn)行在正常蓄水位時(shí)，接觸面橫向最大剪應(yīng)力發(fā)生在約1/3 壩高處，為0.243 MPa。當(dāng)庫(kù)水位回退到死水位運(yùn)行時(shí)，同一位置最大剪應(yīng)力降為0.149 MPa。

在死水位下加固、運(yùn)行在正常蓄水位時(shí)，接觸面橫向最大剪應(yīng)力同樣發(fā)生在約1/3 壩高處，為0.394 MPa。當(dāng)水庫(kù)水位回退到死水位運(yùn)行時(shí)，最大橫向剪應(yīng)力降為0.259 MPa。

豎向剪應(yīng)力一般是由新壩體自重引起的，當(dāng)新壩體結(jié)構(gòu)自重過(guò)大使得結(jié)合面上豎向剪應(yīng)力值超過(guò)抗剪強(qiáng)度時(shí)，新老壩體就會(huì)沿結(jié)合面產(chǎn)生切向錯(cuò)動(dòng)。本工程加高幅度不大，僅有1.2 m，計(jì)算結(jié)果顯示，結(jié)合面豎向剪應(yīng)力數(shù)值較小，最大豎向剪應(yīng)力為0.07 MPa，對(duì)結(jié)合面錯(cuò)動(dòng)影響不大。其原因在于新壩體結(jié)構(gòu)自重有限，不會(huì)因自重產(chǎn)生較大的豎向剪應(yīng)力，且新壩體是在老壩體的混凝土支墩上修建的，老壩體基礎(chǔ)承擔(dān)了部分的自重，導(dǎo)致新壩體結(jié)構(gòu)自重對(duì)于結(jié)合面的錯(cuò)動(dòng)影響較小。

4.3 結(jié)合面處理措施

從分析結(jié)果可以看出，施工期控制庫(kù)水位無(wú)論是在正常蓄水位還是在死水位，當(dāng)施工結(jié)束投入運(yùn)行后，水庫(kù)上游水位在各種變化情況下，新老壩體結(jié)合面的應(yīng)力水平均較小。法向拉應(yīng)力最大值僅為0.132 MPa，最大剪應(yīng)力為0.394 MPa。新混凝土與老壩體間只要保證接觸面的粗糙和干凈，粘接強(qiáng)度可以滿足要求。

從工程安全角度出發(fā)，設(shè)計(jì)中選擇了相對(duì)安全的死水位作為施工期控制水位；在工程措施上，采用老壩體下游壩面人工鑿毛，并在新老壩體結(jié)合面布置Φ20水泥砂漿錨桿（間距1.5 m、根長(zhǎng)2.25 m，錨入老壩體1.45 m，錨桿按梅花型布置），對(duì)新老壩體結(jié)合面作接縫灌漿處理，以保證加厚混凝土與原壩體結(jié)合良好。

5 結(jié)論

對(duì)于拱壩采用整體后幫式加厚加高的加固設(shè)計(jì)方案來(lái)說(shuō)，完工后的老壩體應(yīng)力狀態(tài)和新老壩體的結(jié)合問(wèn)題是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的老壩體和結(jié)合面應(yīng)力分析后，充分掌握了老壩體和新老壩體結(jié)合面的應(yīng)力狀態(tài)，為采取合理的工程措施提供了充分的依據(jù)。經(jīng)過(guò)對(duì)老壩體和結(jié)合面采取合適的工程措施，加高后新老壩體完全能作為一個(gè)整體承受蓄水后所施加的荷載。同時(shí)，確立了施工期以死水位為加固施工控制水位是最佳選擇。

實(shí)際工程中施工期選擇盡量降低水庫(kù)水位和對(duì)結(jié)合面進(jìn)行加強(qiáng)鑿毛、增加抗拉（剪）砂漿錨桿以及新壩體設(shè)置充分的壩體降溫措施等，順利地完成工程加固任務(wù)，解除了水庫(kù)的安全險(xiǎn)情。水庫(kù)于2011年投入運(yùn)行，目前狀況良好，取得了良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。