水庫新舊壩搭接方式縮尺模型試驗研究

吳 磊 ，張玉燕 ，陳丕華

（1.山東省水利工程管理局，山東 濟南 250014；2.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014）

建國以來，山東省興建了許多水庫，受當時技術條件的限制，經多年運行，水庫老化失修嚴重，許多水庫存在嚴重安全隱患，急需除險加固。其中壩體加高培厚就是除險加固的一種常見方案。但有的施工單位為了省時省力，在新老壩體結合方面往往是采用直接搭接式以及其他不符合規(guī)范要求的施工方法，這樣給水庫以后的安全運行埋下了重大隱患。因此，本文通過模型試驗研究不同搭接方式新老壩體結合面滑移規(guī)律來驗證正確搭接方式的安全性及可靠性。

1 模型試驗設計

通過搜集大量的資料得知，由于填土彈性模量很小，很難根據(jù)彈性模量相似找到替代的材料，所以在堤壩模型試驗中，往往采用原狀土進行試驗，在本模型試驗中，使用實體工程所用的回填料，則重度相似常數(shù)Cγ＝1；取幾何相似常數(shù)CL＝10；由平衡方程 CγCL/Cσ＝1 推出應力相似比尺Cδ=10；由幾何方程 CLCγ/Cδ=1 推出位移相似比尺Cδ=10；按照幾何相似。壩體加寬示意圖見圖1。

制作步驟：1）基底處理；2）壩體壓實；3）老壩體的制作；4）新舊壩結合方式的制作；5）位移監(jiān)測點的埋設；6）加高拓寬新壩體；7）壩體浸潤線的形成 （在壩前預留鋼筋網骨架作為進水通道，并保持一定高度水位，使壩體內部形成浸潤線）；8）分析壩體裂縫分布情況，觀測壩體沉陷及側向位移，進行試驗現(xiàn)象分析。

圖1 壩體加寬示意圖

為了確定壩體壓實控制標準，取砂壤土進行了擊實試驗，由擊實試驗測得土體的最優(yōu)含水量為14%，最大干密度為1.762g/cm3。

2 直接搭接式模型試驗結果分析

2.1 試驗現(xiàn)象分析

如圖2所示，新壩拓寬增高后，在蓄水初期，首先出現(xiàn)壩腳失穩(wěn)。隨著時間的推移，裂縫逐漸向壩坡中部擴展，現(xiàn)場量測裂縫寬度約3mm，而且壩頂也出現(xiàn)了橫向裂紋。

由圖2可知，壩體拓寬增高后，水庫水位抬高，造成壩體內部浸潤線抬高，強度發(fā)生衰減。同時，壩體增高引起地基沉陷增大，發(fā)生不均勻沉降，兩者均會造成坡面裂縫的出現(xiàn)及擴展，以致出現(xiàn)壩頂裂縫，壩坡有側向滑移的趨勢。

圖2 直接搭接式壩體拓寬變形及裂紋擴展圖

2.2 新舊壩結合面沉降規(guī)律研究

在新老壩體結合處不同位置放置鋼塊，并在鋼化玻璃外用紅色記號筆標記，用于觀測壩體沉降及側向位移。通過觀測新老壩體的結合面及壩坡表面沉陷圖，可知隨著壩前蓄水，壩后坡逐漸發(fā)生不均勻沉降，其沉陷規(guī)律為壩坡上部沉陷大、下部沉陷小，整體呈拋物線分布規(guī)律。同時，分析壩體位移監(jiān)測點的變化規(guī)律，可知新壩體明顯發(fā)生下沉和側向滑移，而老壩體則主要發(fā)生下沉趨勢，且下沉量明顯小于新壩體。

3 臺階式壩體模型試驗分析

3.1 試驗現(xiàn)象分析

圖3 臺階式壩體拓寬變形及裂紋擴展圖（最終狀態(tài)）

如圖3所示，設置臺階后，壩體仍然會不可避免的出現(xiàn)變形及裂縫，但相比較直接搭接式，裂縫寬度及變形量明顯減小。

3.2 新舊壩結合面沉降規(guī)律研究

采用臺階式搭接方式，沉陷量較直接搭接式稍小，而側向位移量則明顯減小，這是由于采用臺階式搭接方式時，新舊壩體結合面壓實度能夠得以保證，壓實質量較高，所以新壩體側向滑移的趨勢得以明顯消減。而總沉陷量也會減小是由于老壩體壓實度也得以提高，故將部分施工后沉降轉化為施工期沉降，所以施工后總沉降量降低，對于保證壩體安全有利。

4 實例驗證

本縮尺模型試驗是以太行堤水庫除險加固工程為依托，試驗取土為該實體工程所用土料，太行堤水庫大壩加固采用壩體加高培厚方案，新老壩體搭接方式為臺階式搭接，該工程已于2011年完工，圍壩增高后的運行情況受到了運行管理單位的高度重視，在此運行過程中未見裂縫等異常不良現(xiàn)象，并且發(fā)揮了顯著的經濟和社會效益，得到了管理運行單位的充分認可。

5 結語

為了驗證新老壩體搭接方式理論成果的可靠性，設計制作了壩體拓寬增高新舊壩結合方式的縮尺模型試驗。采用直接搭接方式進行拓寬時，由于接觸面位置碾壓質量較難保證，受壩前蓄水的影響，自重作用下造成新壩體沉陷及側向滑移量較大，壩體多處位置出現(xiàn)裂縫。采用開挖臺階進行搭接時，由于可較好地保證接觸面位置的碾壓質量，故該搭接方式可較好的控制工后沉降及側向位移量，對于保證壩體安全非常重要。