香山拱壩除險加固方案及結(jié)構(gòu)安全分析

□楊行運(yùn)（信陽市水利勘測設(shè)計院）

1 基本情況

香山水庫于1969年開工建設(shè)，1972年建成使用。壩頂高程168.00m，最大壩高65.50m，防浪墻高1.05m，壩頂長214.0m，寬5.50m，壩軸線處半徑R=172m，最大中心角φ=71°17′12″。大壩原設(shè)計為漿砌石重力壩，樁號0+099～0+129間為溢流壩段，當(dāng)砌筑至113.00m高程時，為節(jié)省材料和工程投資，工程技術(shù)人員決定將壩型修改為重力拱壩，取消溢流壩段。由于建筑材料奇缺，施工用水泥品牌混雜，當(dāng)施工至135.00～140.00m高程時，又采用磚灰代替水泥拌漿砌筑，施工質(zhì)量很差?！?5.8”洪水后，對拱壩進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理，在壩后坡113.00～135.00m高程間加砌漿砌石配重，在135.00m和113.00m高程處分別設(shè)有4.00m和3.15m寬的平臺各1道。又經(jīng)過幾十年的運(yùn)行，大壩右壩肩和壩體中部各有3條橫向應(yīng)力裂縫，縫寬4～6mm，裂縫由壩頂延伸至壩背坡157.00～135.00m高程處，向上游面延伸至160.00m高程處。大壩空隙率大，溶蝕、滲漏嚴(yán)重，壩頂裂縫，對水庫安全運(yùn)行構(gòu)成一定威脅。

2 除險加固方案

2.1 壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿加固

壩體補(bǔ)強(qiáng)加固灌漿采用滿足大灌入量、漿液具有較高塑性屈服值和高塑性粘度值的灌漿工藝和可控性強(qiáng)的灌漿材料，主要目的是實(shí)現(xiàn)在大空隙砌石體中漿液有針對性的擴(kuò)散。

拱壩壩體灌漿分為3個工作區(qū)：①壩頂作業(yè)區(qū)：布置2排灌漿孔，排距2.0m。上游排為直孔，最大孔深57.50m，終孔孔距為3.00m，鉆孔至廊道頂部；下游排為傾向下游的斜孔，與水平方向夾角85°，最大孔深66.75m，終孔孔距為4.00m，鉆孔底部深入基巖以下1.00m處；②廊道作業(yè)區(qū)：布置3排灌漿孔，均位于排水孔上游側(cè)。1排仰斜孔(仰角50°)、1排水平孔(俯角0°)、1排向下斜孔(俯角60°)。仰斜孔、水平鉆灌孔孔距4.00m，最大孔深10m；下斜孔孔距2.00m，最大孔深13.50m；③壩后作業(yè)區(qū)：在135.00m高程平臺布設(shè)2排灌漿孔，排距3.00m。分別向上、下游傾斜，傾角均為75°，孔距3.0m，最大孔深34.80m。

2.2 面板防滲處理

將136.00m至壩頂168.00m高程間原混凝土防滲面層進(jìn)行鑿毛并沖洗干凈后，在其表面重新澆筑一層厚600mm的C25鋼筋混凝土防滲面層，加厚的混凝土防滲面層與原壩體采用錨筋固結(jié)。

2.3 壩肩繞滲處理

壩肩采用帷幕結(jié)合固結(jié)灌漿進(jìn)行處理。沿壩頂作業(yè)區(qū)2排灌漿孔軸線向兩壩肩各20.00m范圍內(nèi)布設(shè)2排灌漿孔，排距和孔距均為2.00m，鉆灌孔深均為20.00m，分三序孔施灌。

3 拱壩結(jié)構(gòu)安全分析

3.1 應(yīng)力分析

拱梁分載法是我國應(yīng)力分析的主要方法。多拱梁應(yīng)力分析法采用中國水利水電科學(xué)研究院編制的五向調(diào)整多拱梁法程序ADASO計算。

3.1.1 計算簡圖

拱壩計算平面圖見圖1，多拱梁計算網(wǎng)絡(luò)圖見圖2。

3.1.2 計算參數(shù)

圖1 拱壩計算平面圖

圖2 多拱梁計算網(wǎng)格圖

考慮以下幾種荷載：a、壩體自重；b、水壓力；c、水重；d、揚(yáng)壓力；e、沙壓力。不計地震力作用，為簡化計算，暫不考慮浪壓力。設(shè)計洪水位166.41m，相應(yīng)下游水位108.00m；校核洪水位167.50m，相應(yīng)下游水位108.80m；年平均氣溫27.60℃，一月平均氣溫2.00℃，7月平均氣溫15.20℃；經(jīng)試驗(yàn)確定：加固前壩體容重為20.5kN/m3，加固后壩體容重為22.0kN/m3。淤沙高程114.00m，淤沙浮容重7.00kN/m3，內(nèi)摩擦角12°；砌體彈性模量 5.00GPa，熱脹系數(shù) 0.50×10-5/℃；基巖彈性模量：20.00Gpa。

3.1.3 計算工況

工況1：設(shè)計洪水位+溫升，壩體容重γ＝20.50kN/m3；工況2：校核洪水位+溫降，壩體容重γ＝20.50kN/m3；工況3：設(shè)計洪水位+溫升，壩體容重γ＝22.00kN/m3；工況4：校核洪水位+溫降，壩體容重γ＝22.00kN/m3。工況1、2為加固前的工況，工況3、4為加固后的工況。

3.1.4 應(yīng)力計算成果

應(yīng)力計算成果見表1。

表1 多拱梁應(yīng)力計算成果表(MPa)

計算成果表明：拱壩總體應(yīng)力水平較低，最大壓應(yīng)力1.6MPa，最大拉應(yīng)力0.7MPa，滿足有關(guān)規(guī)范對容許壓應(yīng)力和控制拉應(yīng)力的要求。拱壩加固前存在的問題不在于計算的應(yīng)力水平太高，而是壩體質(zhì)量差，不能承受規(guī)范要求達(dá)到的0.7MPa的拉應(yīng)力。拱壩灌漿后自重增加，最大主壓應(yīng)力稍有增加，最大拉應(yīng)力變化不大，由于壩體質(zhì)量差的提高，可以承受0.7MPa的拉應(yīng)力。

3.2 壩體抗滑穩(wěn)定分析

3.2.1 計算公式

按照《砌石壩設(shè)計規(guī)范》中的公式計算壩體抗滑穩(wěn)定，計算公式如下：

式中：K1—按抗剪斷強(qiáng)度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f'—滑裂面上的抗剪斷摩擦系數(shù)；c'—滑裂面上的抗剪斷凝聚力，kPa；A—滑裂面面積,m2；N—垂直于滑裂面的法向力，kN；T—沿滑裂面的切向力，kN。

3.2.2 計算參數(shù)

考慮如下幾種荷載：a、壩體自重；b、水壓；c、水重；d、沙壓；e、沙重；f、揚(yáng)壓力。不計地震力作用，為簡化計算，浪壓力忽略不計。

壩體的補(bǔ)強(qiáng)灌漿效果體現(xiàn)在如下幾個方面：①提高了砌石體的容重，經(jīng)試驗(yàn)確定，壩體容重由加固前的20.5kN/m3提高到加固后的22.0kN/m3；②恢復(fù)了砌體強(qiáng)度，凝聚力c/值由加固前的333kN/m2提高到500kN/m2；③提高了上游壩面和帷幕的防滲性，使揚(yáng)壓力減少，排水帷幕處的揚(yáng)壓力折減系數(shù)由加固前的0.40減低至0.25；④可提高拱向承載力，從而減少梁向承載力，梁向分載系數(shù)可由加固前的0.86減少到0.75。淤沙浮容重取7.0kN/m3，側(cè)壓力系數(shù)為0.65。加固前（后）的計算參數(shù)見表3－2。

表2 除險加固前（后）的計算參數(shù)表

3.2.3 計算工況

設(shè)計工況：上游設(shè)計水位166.41m，下游水位108.00m，淤沙高程114.50m；校核工況：上游校核水位167.50m，下游水位108.80m，淤沙高程114.50m；加固前計算分載系數(shù)為0.86時設(shè)計、校核工況的穩(wěn)定安全系數(shù)；加固后計算分載系數(shù)分別為0.86、0.75時設(shè)計、校核工況的穩(wěn)定安全系數(shù)。

3.2.4 穩(wěn)定計算結(jié)果

分別選取102.51～152.50m等16個高程界面處計算出加固前后的安全系數(shù)詳見表3。由其設(shè)計工況加固前（0.86）、加固后（0.86、0.75）的安全系數(shù)繪制出加固前、后安全系數(shù)比較圖，見圖3。

表3 各斷面穩(wěn)定計算剪斷安全系數(shù)表

圖3 加固前、后安全系數(shù)比較圖

計算結(jié)果表明：除險加固前各種工況時沿建基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均＞3.00，滿足《砌石壩設(shè)計規(guī)范》要求，但是沿壩體內(nèi)層面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)(103.10～122.50m高程間)均小于規(guī)范要求的校核工況2.50、設(shè)計工況3.00的要求，安全系數(shù)最小值出現(xiàn)在103.10m的高程處；除險加固后沿建基面及沿砌石層面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大幅度提高，當(dāng)分載系數(shù)分別為0.86、0.75時，安全系數(shù)比加固前（梁向分載系數(shù)0.86）分別提高0.70、1.20以上，各部位的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

4.1 承受應(yīng)力能力改善

經(jīng)計算，加固前最大壓應(yīng)力1.60MPa，最大拉應(yīng)力0.70MPa，滿足有關(guān)規(guī)范對容許壓應(yīng)力和控制拉應(yīng)力的要求，但由于壩體質(zhì)量差，不能承受規(guī)范要求達(dá)到的0.7MPa的拉應(yīng)力；除險加固后自重增加，最大主壓應(yīng)力稍有增加，最大拉應(yīng)力變化不大，由于壩體質(zhì)量的提高，完全可以承受0.70MPa的拉應(yīng)力。

4.2 抗滑穩(wěn)定系數(shù)提高

由于施工質(zhì)量差、壩體空隙率高，又經(jīng)過幾十年的溶蝕，砌體的抗剪能力明顯降低。沿壩體內(nèi)層面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)嚴(yán)重不足（103.10～122.50m高程間）；除險加固后，由于砌體的抗剪強(qiáng)度提高、滲透壓力減少及自重增加，拱的作用也加強(qiáng)了，壩體的抗滑穩(wěn)定顯著提高，設(shè)計工況K1=3.55，校核工況K1=3.35，滿足規(guī)范要求。

4.3 加固效果顯著

拱壩除險加固方案經(jīng)水利部淮河水利委員會淮委規(guī)計[2002]453號文批復(fù)，2005年9月工程全部實(shí)施完畢。經(jīng)過近9年的觀測：壩肩和壩體中部裂縫消失，壩后大面積明流、廊道下雨現(xiàn)象消失，壩后滲流量迅速減小，滲水量為僅為1.20×10-3L/s，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，加固效果顯著。