混凝土大壩加高主要技術(shù)研究及工程實踐

沈鳳生1，張小廳

（1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京100120；2.南水北調(diào)中線水源有限責(zé)任公司，湖北十堰442000）

混凝土大壩加高主要技術(shù)研究及工程實踐

沈鳳生1，張小廳2

（1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京100120；2.南水北調(diào)中線水源有限責(zé)任公司，湖北十堰442000）

本文介紹丹江口大壩加高過程中初期混凝土壩檢查、處理，以及新老混凝土結(jié)合相關(guān)的主要技術(shù)問題研究和工程實踐。

混凝土大壩加高；缺陷檢查處理；裂縫；新老混凝土結(jié)合

1 基本情況

丹江口水利樞紐位于湖北省丹江口市漢江干流上，具有防洪、供水、發(fā)電、航運等綜合利用效益，是開發(fā)治理漢江的關(guān)鍵工程，同時也是南水北調(diào)中線的水源工程。初期工程1967年7月大壩開始攔洪，11月下閘蓄水，1968年10月第一臺機(jī)組發(fā)電，1973年底全部建成。河床混凝土壩水下部分（高程100m以下）已按后期最終規(guī)模正常蓄水位170m興建，兩岸混凝土壩及土石壩按初期規(guī)模建設(shè)。初期工程大壩壩頂高程162m，水庫正常蓄水位155m。1975年開始將初期工程正常蓄水位提高到157m。

初期工程壩軸線總長2494m，由河床混凝土壩及兩岸土石壩組成。壩頂高程162m，最大壩高97m，其中混凝土壩長1141m，左、右岸土石壩長分別為1223m和130m?；炷翂喂卜?8個壩段，自右向左分別為右岸聯(lián)接壩段（右13～右1，1～3左，3右～7）長339m；河床壩段（8～32）長582m，由泄洪深孔壩段（8～13壩段）、溢洪表孔壩段（14～24壩段）、電站廠房壩段（25～32壩段）組成；左岸聯(lián)接壩段（33～44）長220m。其中，溢流壩段除18壩段外，每個壩段設(shè)置兩個寬8.5m的開敞式溢流表孔，18壩段在施工時兼作縱向圍堰，運行期泄洪時作為下游隔墻；3左、3右兩壩段為升船機(jī)壩段，右13壩段與右岸土石壩聯(lián)接，插入土石壩內(nèi)。左岸土石壩長1223m，為粘土斜墻和粘土斜心墻砂殼土石混合壩；右岸土石壩長130m，為粘土心墻土石混合壩。

根據(jù)南水北調(diào)中線一期工程可行性研究總報告，要求加高丹江口水利樞紐大壩，將水庫正常蓄水位從157m抬高至170m，壩頂高程176.6m，相應(yīng)興利庫容增加116億m3。

混凝土壩段加高時，壩體基礎(chǔ)位于高程100m以下的，僅需對壩體上部進(jìn)行加高培厚施工；對于基礎(chǔ)位于高程100m以上的，需要將壩基加寬后進(jìn)行加高陪厚施工。混凝土壩除右13～右11三個壩段不加高外，其余壩段均需加高。大壩加高后兩岸土石壩壩型不變，左岸土石壩進(jìn)行了培厚加高，壩軸線長增加到1424m，最大壩高71.6m；右岸土石壩改線重建，新壩壩軸線長877m、最大壩高60m。加高后大壩軸線總長3442m。

丹江口大壩加高，需要對初期工程大壩進(jìn)行全面的檢查和缺陷處理，并解決大壩加高中新老混凝土結(jié)合問題。本文重點介紹初期工程混凝土壩的缺陷檢查、處理，以及新老混凝土結(jié)合相關(guān)的主要技術(shù)問題研究和工程實踐。

2 初期工程混凝土壩缺陷檢查、分析及處理

2.1 缺陷檢查

由于初期工程混凝土施工是在特殊歷史條件下進(jìn)行的，且加高前已運行40多年，混凝土壩段存在裂縫、層間縫以及低強(qiáng)混凝土區(qū)等缺陷，這些缺陷將影響大壩結(jié)構(gòu)的耐久性、安全或正常運行，因此需要在加高工程開工后，結(jié)合施工對初期工程缺陷作全面的檢查及處理。主要進(jìn)行了如下六個方面的檢查工作：

（1）表面裂縫檢查。對大壩下游面、壩頂、上游面水上區(qū)域的裂縫情況進(jìn)行全面的檢查，查清所有裂縫的外觀描述性參數(shù)、裂縫的深度和連通性。對于上游壩面泥沙淤積高程以上的水下區(qū)域，采用一般性檢查和重點檢查結(jié)合的方式，即結(jié)合壩體排水廊道滲水裂縫、壩體排水孔滲漏檢查情況，分析判斷是否存在貫穿上游面的裂縫，當(dāng)可能存在貫穿上游面的裂縫或滲漏弱面時，根據(jù)上游壩面裂縫可能位置確定水下檢查重點區(qū)域；采用潛水員水下清理并用水下錄像設(shè)備進(jìn)行檢查，一般性檢查采用抽條帶方式進(jìn)行檢查，保證每個壩段水下有1～3條水平檢查條帶，2～3個豎向條帶，發(fā)現(xiàn)裂縫跟蹤檢查。上游壩面泥沙淤積高程以下、孔口和壩面輪廓突變處的區(qū)域不具備檢查條件，主要在壩體廊道內(nèi)進(jìn)行排查。

（2）廊道裂縫檢查。查清廊道內(nèi)所有裂縫的外觀形狀和裂縫的深度，對于滲水、析鈣裂縫，要求查清其滲水析鈣裂縫的滲源、滲水量、縫內(nèi)滲壓力及其與水庫水位的相關(guān)關(guān)系，并對滲水進(jìn)行水質(zhì)分析。

（3）層間縫檢查。查清所有層間縫的分布及范圍，以及層間縫力學(xué)和抗?jié)B性能。通過鉆孔取芯揭示壩體層間弱面的狀況，結(jié)合施工記錄資料分析層間縫與長間歇、停倉、冷縫的對應(yīng)關(guān)系；通過芯樣試驗，研究層間弱面的力學(xué)特性，確定層面抗剪強(qiáng)度參數(shù)；根據(jù)層間弱面的分布特點、層面抗剪強(qiáng)度參數(shù)，復(fù)核大壩不同高程層面的抗滑穩(wěn)定性。

（4）混凝土質(zhì)量核查。根據(jù)初期大壩施工及混凝土缺陷處理資料，選擇存在冷縫、架空、強(qiáng)度不合格混凝土區(qū)等質(zhì)量問題的典型部位，進(jìn)行抽樣檢查，核查冷縫縫面結(jié)合狀況、架空混凝土處理效果、強(qiáng)度不合格混凝土的現(xiàn)狀強(qiáng)度等。

（5）止排水系統(tǒng)檢查。包括大壩的橫縫止水和壩體排水孔的工作狀況，對局部滲水量較大或析鈣較為嚴(yán)重的排水孔，查明原因或滲水通道，并對排水廊道分部位進(jìn)行系統(tǒng)的滲水量量測。

（6）防滲帷幕檢查。通過資料收集和分析、鉆孔檢查和測試、室內(nèi)試驗等工作，在分析初期壩防滲帷幕耐久性基礎(chǔ)上，確定防滲帷幕需要補(bǔ)強(qiáng)的區(qū)域。

2.2 主要缺陷檢查結(jié)果

檢查結(jié)果表明，初期工程混凝土壩主要缺陷為裂縫，裂縫較多且存在危害性裂縫；壩體內(nèi)混凝土存在局部低強(qiáng)；壩體排水系統(tǒng)基本正常，部分防滲帷幕需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)或改建。

根據(jù)初期壩的特點，將混凝土裂縫分為四類。Ⅰ類：縫寬小于0.2m m，縫深小于等于0.3m，性狀表現(xiàn)為龜裂或呈細(xì)微規(guī)則特性；Ⅱ類：表面淺層裂縫，縫寬0.2～0.3m m，縫深0.3～1m，平面縫長3～5m；Ⅲ類：表面深層裂縫，縫寬0.3～0.5m m，縫深1～5m，縫長大于5m，或平面大于、等于三分之一壩塊寬度，側(cè)面大于1～2個澆筑層厚；Ⅳ類：縫寬大于等于0.5m m，縫深大于5m，側(cè)（立）面長度大于5m，平面上貫穿全壩段的貫穿裂縫。已檢查出的Ⅱ類及以上裂縫統(tǒng)計條數(shù)為3248條，總長度為34560m，其中Ⅳ類裂縫306條，縫長7743m。危害性裂縫主要有2～右6壩段上游面高程142～157.5m之間水平層間縫；3～7壩段壩頂縱向裂縫；18壩段上游面豎向裂縫等。圖1為主要危害性裂縫位置示意圖。

2.3 裂縫影響分析及主要處理措施

在分析裂縫對大壩加高工程的穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、防滲性能等影響的基礎(chǔ)上，根據(jù)裂縫所在部位的環(huán)境條件選擇合理的處理措施。非迎水面Ⅰ類裂縫一般不作處理，Ⅱ類裂縫視具體情況，重要部位進(jìn)行縫口處理，必要時進(jìn)行淺層灌漿，貫穿上游面的Ⅰ、Ⅱ類裂縫均進(jìn)行縫口防水處理；新老混凝土結(jié)合面上的Ⅲ、Ⅳ類裂縫均設(shè)置過縫鋼筋，貫穿上游面的Ⅲ、Ⅳ類裂縫設(shè)置可靠的堵漏和排水減壓措施。裂縫處理后，對主要裂縫處理效果進(jìn)行監(jiān)測。

2.3.1 水平層間縫對大壩穩(wěn)定的影響分析及處理措施

壩體存在水平層間縫時，一方面降低了縫面混凝土的力學(xué)性能，另一方面庫水進(jìn)入貫穿上游面的水平裂縫，會在縫內(nèi)產(chǎn)生揚壓力，降低大壩沿縫面的抗滑穩(wěn)定安全度。對發(fā)現(xiàn)的水平層間縫進(jìn)行的抗滑穩(wěn)定分析表明，滲水壓力在壩體排水帷幕處折減系數(shù)不高于0.5時，所有壩段沿層面的抗滑穩(wěn)定均能滿足規(guī)范要求。因此在施工處理中，主要采取上堵下排，做好縫口封堵和裂縫排水減壓措施。

高程143m水平層間縫規(guī)模較大，據(jù)分析，對2～右6壩段的安全運行有影響。由于1～右3壩段為轉(zhuǎn)彎壩段，在平面上呈凸向下游的反拱形結(jié)構(gòu)，壩段間橫逢曾進(jìn)行了灌漿處理。高程143m附近存在長間歇或停倉弱面，高溫季節(jié)在反拱作用下，上游壩面產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得大壩上游面沿固有的弱面拉裂形成貫穿上游面的水平層間縫，其開度呈季節(jié)性變化。經(jīng)與拆除方案相比較，確定采用鋸縫處理方案，即將1～右3壩段之間的3條已經(jīng)灌漿的橫縫鋸開，橫縫鋸開的底高程為142m，鋸縫平均寬度1c m，控制最小切縫寬度8m m，從下游壩面切縫至上游第二道止水后1m。鋸縫后，分別對層間縫進(jìn)行防滲和排水處理。

圖1 主要危害性裂縫位置示意圖（高程、尺寸單位：m）

對溢流壩閘墩存在水平層間縫情況，經(jīng)對閘墩不同高程出現(xiàn)的水平層間縫進(jìn)行復(fù)核，所有壩段均能滿足抗滑穩(wěn)定要求。但當(dāng)一個溢流壩段僅一孔泄洪時，水平層間縫會出現(xiàn)脫開現(xiàn)象，在大壩泄洪動水壓力作用下，閘墩將處于震動狀態(tài)，閘墩工作條件差，因此采取對裂縫進(jìn)行化學(xué)灌漿、在閘門上游閘墩中部補(bǔ)設(shè)豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋等工程措施，解決了閘墩壓應(yīng)力不足問題，并增強(qiáng)了閘墩的整體性，保證在各種運行條件下層間縫面始終處于受壓狀態(tài)。

2.3.2 壩頂縱向裂縫影響分析及處理措施

以右聯(lián)3～7壩段存在的壩頂縱向裂縫（見圖1（a））最具代表性。3左～6壩段高程158m電纜廊道頂拱或頂拱偏下游側(cè)均有縱向裂縫，基本貫穿3左～6壩段，總長約57.8m，縫寬0.5～1.0m m。根據(jù)鉆孔及孔內(nèi)錄像檢查結(jié)果，裂縫在3左、3右、4壩段基本只穿過高程158m電纜廊道頂板。5、6壩段裂縫自壩頂穿過高程158m電纜廊道，在廊道底部開始向下游傾斜，在高程150m壩體排水廊道下游壩體內(nèi)高程148～154m范圍內(nèi)尖滅。6、7壩段壩頂設(shè)置了門庫，高程158m電纜廊道在6、7壩段橫逢處設(shè)置對外通道，因此7壩段實際上為6壩段提供了大氣邊界。檢查表明，該裂縫為活縫，且在發(fā)展中。

分析表明，壩體在周期性氣溫作用下會形成壩頂縱向裂縫，最深可達(dá)高程144.6m，比裂縫實際開裂高程略低。在壩體貼坡和加高部分完成后，在新澆混凝土與水壓的綜合作用下，雖然縱向裂縫仍然處于張開狀態(tài)，但張開度明顯減小，加高使溫度變化幅度明顯縮窄，裂縫深度沒有向下開展的趨勢。對補(bǔ)強(qiáng)加固、局部拆除和對穿錨索等處理方案進(jìn)行比較后，選擇處理效果滿足要求、工程量小的補(bǔ)強(qiáng)加固方案。即主要在廊道底板至壩頂高程范圍內(nèi)布設(shè)5層Φ36Ⅱ級鋼筋作為鎖定錨筋；回填電纜廊道；對裂縫進(jìn)行灌漿處理；在初期壩頂面加高混凝土內(nèi)布設(shè)兩層Φ32裂縫鋼筋，并設(shè)置并縫廊道。

2.3.3 上游壩面豎向裂縫的影響分析及處理措施

上游壩面豎向裂縫一旦發(fā)展到一定規(guī)模，庫水將滲入裂縫形成水壓力，對已有裂縫產(chǎn)生劈裂作用，導(dǎo)致裂縫向縱深延伸。上游壩面豎向裂縫主要發(fā)生在18壩段和36壩段，以18壩段豎向裂縫具代表性。18壩段上游壩面豎向裂縫從高程約139m至壩頂，寬度0.5m m，裂縫中部曾在運行期間進(jìn)行過處理。

采用仿真分析，還原18壩段施工和運行過程中的溫度場和應(yīng)力場。據(jù)分析，在該壩段混凝土澆筑施工結(jié)束后，次年該壩段在高程110～114.5m之間會出現(xiàn)3m深度的局部裂縫，在高程125m以上、壩頂門庫出現(xiàn)深度1.0～3.5m的裂縫，初期工程運行期間除了上游面與門庫間混凝土出現(xiàn)部分裂縫外，其它部位裂縫沒有進(jìn)一步發(fā)展。大壩加高完成并將上游水位抬高至170m后，18壩段壩頭突出部位的裂縫深度會有所增加，可達(dá)4.5m，高程110～114.5m裂縫開展深度會增加到5m，高程116m上方還會出現(xiàn)小范圍的內(nèi)部裂縫，說明加高后，由于水位上升水溫下降，導(dǎo)致應(yīng)力集中加大，裂縫將進(jìn)一步向下游延伸，但不會越過大壩橫縫止水。根據(jù)影響分析成果，對18壩段、36壩段上游面豎向裂縫采取封堵和排水減壓措施，消除水庫水位上升后可能增加的水力劈裂作用。

2.4 其他缺陷處理措施

初期壩除裂縫較多外，還存在混凝土局部低強(qiáng)、壩基防滲等問題，在大壩加高過程中均采取了有針對性的措施，采用增設(shè)排水孔、上游壩面涂刷防滲涂料、對部分河床壩段防滲帷幕進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿、對原設(shè)置的“排灌型”防滲帷幕改建成完善的帷幕滲控系統(tǒng)等措施。

3 混凝土壩加高新老混凝土結(jié)合措施

3.1 混凝土大壩抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

在抗滑穩(wěn)定以及應(yīng)力控制安全標(biāo)準(zhǔn)方面，除嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)范要求外，適度提高了部分標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合丹江口大壩初期工程斷面的特點，兩岸非河床壩段基本組合工況抗滑穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)從不小于3.0提高到不小于3.5；壩踵部位垂直正應(yīng)力（地震荷載除外）從不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力提高到不小于0.2MP a，增加壩體上游面最小主壓應(yīng)力（不計揚壓力）不小于0.25γ h（γ為水的容重，h為壩面計算點的靜水頭）的要求。

3.2 壩前水位條件

加高工程施工期間，丹江口水庫仍然需要承擔(dān)相應(yīng)的防洪、發(fā)電和供水任務(wù)，而壩前水位對大壩加高措施影響較大。從對大壩應(yīng)力影響的角度看，適度降低加高施工期上游水位，可以改善壩踵拉應(yīng)力，加高后水庫水位抬升，所增加的水推力由新老壩體聯(lián)合受力。施工期水位越低，水庫水位抬升后，新老壩體共同受力的程度越高。從發(fā)電、供水等效益看，如果施工期控制水位過低，將會對水庫效益產(chǎn)生較大影響。因此，施工期水位需要滿足施工和防洪、壩體和壩基應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)等要求前提下，盡可能使水庫效益最大化為原則，確定高程162m以下貼坡混凝土施工期水庫水位不超過152m。

3.3 新老混凝土結(jié)合問題及前期相關(guān)試驗研究

3.3.1 新老混凝土結(jié)合問題

根據(jù)初期壩的特點，新老混凝土結(jié)合存在三種型式，即水平結(jié)合、豎直結(jié)合和斜坡結(jié)合。加高壩頂存在水平結(jié)合面，除妥善處理原壩頂新老混凝土結(jié)合面及新澆混凝土底部受老混凝土約束采用溫控防裂措施外，一般可按常規(guī)施工，且能保證水平面上新老混凝土結(jié)合完好。而下游壩坡貼坡混凝土既存在斜坡結(jié)合，也存在豎直結(jié)合，底部受老混凝土或基巖約束，下游壩坡還受老混凝土的約束，對新澆混凝土產(chǎn)生約束應(yīng)力；同時，新混凝土收縮也將對老壩體產(chǎn)生附加應(yīng)力，特別是對壩體產(chǎn)生拉應(yīng)力，結(jié)合面因新澆混凝土收縮也可能脫開，因而研究新老混凝土的結(jié)合，既要保證新老混凝土聯(lián)合受力，還要妥善解決加高后的壩體和壩基應(yīng)力，使大壩運行狀態(tài)滿足安全要求，也要盡可能減少新澆混凝土因溫度收縮對壩體產(chǎn)生的不利影響，避免或盡可能減少混凝土裂縫。河床混凝土壩段因下部壩體已按照正常蓄水位170m要求建成，有足夠的壩底寬度和厚度，上部壩體貼坡加厚、加高對壩踵應(yīng)力不利影響相對較小；兩岸聯(lián)接混凝土壩體斷面僅按初期工程運用要求設(shè)計施工，大壩加高工程需要從基巖面開始對壩體貼坡加厚、加高，對壩踵應(yīng)力影響相對較大。

3.3.2 前期現(xiàn)場試驗研究

為妥善解決新老混凝土結(jié)合問題，在1994～1999年間先后進(jìn)行過三次混凝土澆筑現(xiàn)場試驗，對混凝土材料、施工工藝、溫控措施、新老混凝土結(jié)合面的處理措施進(jìn)行了較為全面的研究，通過埋設(shè)溫度計、測縫計、鋼筋計，并采用鉆孔取芯、注水試驗等手段，主要取得三個方面認(rèn)識，即新老混凝土結(jié)合面澆筑施工需要加強(qiáng)溫控措施，限制混凝土最高溫度不超過26～28℃；坡面上新老混凝土是能夠結(jié)合的；豎直面新老混凝土結(jié)合面受年氣溫變化影響，有脫開的可能，需要在結(jié)構(gòu)分析計算中考慮脫開影響，并采取結(jié)構(gòu)措施，控制脫開寬度及同時脫開面積，保證新老混凝土聯(lián)合受力。

3.4 加高混凝土溫控措施

為有效降低混凝土澆筑中水泥水化熱引起的有害應(yīng)力，減少新老混凝土結(jié)合面開裂，使壩體應(yīng)力滿足設(shè)計要求，加高工程必須采取嚴(yán)格的混凝土溫度控制措施。

3.4.1 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

對上下澆筑層，溫差控制不超過15～17℃，其中貼坡混凝土澆筑溫差適當(dāng)嚴(yán)格。對基礎(chǔ)允許溫差標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)澆筑塊長邊長度為L，短邊長度不大于0.2L時，澆筑混凝土與基礎(chǔ)允許溫差取14～22℃，邊長越長，允許溫差越??；短邊長度大于0.2L時，上述澆筑混凝土與基礎(chǔ)允許溫差可放寬2℃左右。為防止混凝土裂縫，新澆混凝土表面視不同部位和混凝土澆筑季節(jié)，均需要加強(qiáng)保護(hù)和養(yǎng)護(hù)，遇連續(xù)降溫天氣需要延長表面保護(hù)和養(yǎng)護(hù)的時間。均勻上升的柱狀澆筑塊，混凝土澆筑冬季最高溫度不能超過23℃，春秋季節(jié)不超過27～28℃；5～9月不允許澆筑貼坡混凝土；壩頂加高部位混凝土澆筑溫度4月、10月不超過31℃，5～9月不超過33～36℃。

3.4.2 通水冷卻

混凝土澆筑后采用通水冷卻，通水冷卻采用P E管。采用控制冷卻水管間距以及冷卻時間來達(dá)到目標(biāo)溫度控制。

3.4.3 混凝土澆筑層厚

大壩加高用混凝土主要為R90200、R90250兩種標(biāo)號。貼坡混凝土澆筑溫度冬季10℃、春秋季12～14℃，初期通水冷卻水溫度一般8～10℃。根據(jù)溫控計算分析成果，R90200混凝土在10月～次年4月均可以采用3m混凝土層厚進(jìn)行澆筑，冷卻水管間距1.5m×1.5m；R90250混凝土澆筑時在春秋季需適度減小混凝土澆筑層厚。

3.4.4 混凝土保溫

從短期和長期保溫效果研究來看，新老混凝土結(jié)合面開裂面積差別在1%左右，保溫效果差別很?。坏珡氖欠癫扇”卮胧┛?，采取保溫措施后，新老混凝土閉合面積增加約13%，保溫效果明顯。因此，丹江口大壩對新澆混凝土表面采用聚乙烯苯板進(jìn)行施工期保溫措施。

3.5 非溢流壩新老混凝土結(jié)合措施

3.5.1 基本施工方案

非溢流壩加高采用后幫整體式澆筑混凝土，這種加高方式的施工方法主要有兩種：一種是在老壩體下游面直接澆筑混凝土，使新老混凝土一次澆筑即可形成一整體結(jié)構(gòu)，常稱為直接貼坡方案；另一種是在老壩體與新澆筑混凝土塊體間留下一定間隙，待新澆混凝土硬化收縮后，再填充間隙，使新老壩體形成整體，即預(yù)留寬槽方案。

直接貼坡方案重點要做好老混凝土面的處理以及新澆筑混凝土的溫度控制。其優(yōu)點是簡化施工程序，有利于保證施工質(zhì)量。主要難點在于消除或減小下游貼坡混凝土降溫收縮對壩體應(yīng)力特別是壩體上游應(yīng)力的影響；處理好新老混凝土結(jié)合面，盡量使其結(jié)合成整體，使新澆混凝土與老壩體能共同工作；做好新澆混凝土的溫控，不能出現(xiàn)有害裂縫。

預(yù)留寬槽方案分為兩種情況，一種是新老混凝土結(jié)合斜坡面和豎直面全部設(shè)寬槽，另一種是在斜坡面采用直接貼坡澆筑，豎直面設(shè)寬槽。全部設(shè)置寬槽方案的優(yōu)點在于簡化溫控措施，并可避免新澆混凝土的降溫收縮引起老壩體上游面的應(yīng)力；缺點是寬槽回填須在混凝土冷卻至穩(wěn)定溫度，并完成自生體積變形后進(jìn)行，寬槽回填混凝土施工季節(jié)要求嚴(yán)格，增加了施工程序和施工難度，對總工期的影響較大。僅豎直面設(shè)寬槽方案綜合了直接貼坡方案和全部預(yù)留寬槽方案的特點，在合理安排施工程序條件下，克服對總工期影響大的缺點，并具備寬槽回填施工難度小、施工質(zhì)量容易保障等優(yōu)點。

3.5.2 施工方案效果比較

采用仿真計算對兩個基本施工方案新老混凝土結(jié)合面開裂情況進(jìn)行研究。

（1）直接貼坡方案

臨時保溫措施情況下，新老混凝土結(jié)合面施工期只在豎直段少部分開裂。拆除臨時保溫措施后，豎直段結(jié)合面會很快全部開裂；斜坡段結(jié)合面逐年開裂，在拆除保溫后四年左右時間內(nèi)基本達(dá)到穩(wěn)定，其上部部分裂開，中下部外側(cè)少部分裂開。主要是由于新貼坡混凝土沿壩坡方向的收縮以及壩頂加高部分混凝土的伸長變形都會使豎直段結(jié)合面產(chǎn)生拉應(yīng)力，而混凝土自重很難給豎直段結(jié)合面提供有效能抵抗溫度應(yīng)力的壓應(yīng)力，因此豎直段結(jié)合面很快全部開裂。斜坡段結(jié)合面，由于氣溫的周期變化，新澆混凝土?xí)貕屋S方向伸長或收縮變形，當(dāng)夏季伸長時會在壩軸中部引起結(jié)合面法向拉應(yīng)力，冬季收縮時，則會在壩段側(cè)面引起法向拉應(yīng)力，由于自重又會在結(jié)合面法向產(chǎn)生部分壓應(yīng)力分量，因此，斜坡段結(jié)合面上部及外側(cè)面部分易產(chǎn)生拉裂。

（2）豎直面預(yù)留寬槽方案

設(shè)定第一個冬季的1月開始寬槽回填，澆筑層厚3m，混凝土回填后，冷卻措施同貼坡混凝土。計算分析表明，拆除臨時保溫措施的4年后，豎直段結(jié)合面仍然全部開裂，只是比直接貼坡方式開裂時間推后，開裂情況僅比直接貼坡方案稍小。

因此，實際施工采用直接貼坡方案。

3.5.3 加高對壩體應(yīng)力的影響

重力壩加高容易惡化壩踵應(yīng)力。但當(dāng)新澆筑混凝土采取低溫入倉、低溫水管冷卻加保溫的綜合措施，使得壩體加高至壩頂時新澆筑混凝土略低于穩(wěn)定溫度，混凝土的后期溫度不下降、反而上升，可以給大壩壩踵產(chǎn)生附加壓應(yīng)力，保證重力壩加高后壩踵應(yīng)力不惡化。

計算分析表明，加高后壩踵有1.2～1.4MP a壓應(yīng)力，較加高前略有增大。拆除保溫后，考慮大壩蓄水位抬高至170m水位，壩踵處豎直向壓應(yīng)力隨時間變化的幅值減小，但仍然有不小于1MP a的壓應(yīng)力；考慮揚壓力后，雖然各應(yīng)力指標(biāo)均隨溫度的四季變化而發(fā)生周期性變化，但仍可保證壩踵不出現(xiàn)拉應(yīng)力。對于大壩壩體應(yīng)力，盡管新老混凝土結(jié)合面會產(chǎn)生開裂，但總有一定面積是閉合的，新老混凝土之間可以傳遞壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，計算得到接觸面最大壓應(yīng)力為2.3MP a，最大剪應(yīng)力為0.8～1.5MP a，均在混凝土允許值之內(nèi)。

為盡量釋放溫度年變化引起的貼坡混凝土與老壩體之間的法向拉應(yīng)力，研究了新澆貼坡混凝土設(shè)置橫縫的方案，以減小混凝土開裂面積。研究表明，在貼坡混凝土設(shè)置橫縫后結(jié)合面閉合面積增加約6%。

3.5.4 結(jié)合面張開度

開裂的新老混凝土面將隨季節(jié)溫度變化而呈現(xiàn)張開-閉合變化。對于壩段外側(cè)橫剖面上結(jié)合面張開度，其特點是冬天張開、夏天閉合的周期性變化，最大開度一般發(fā)生在2月中下旬。經(jīng)對典型壩段進(jìn)行分析，豎直段結(jié)合面中間部位的開合度最大，約為1.6m m，斜坡段結(jié)合面最大開合度位于上部，約為0.5m m；對于壩段中面結(jié)合面，最大開度同樣出現(xiàn)在豎直段結(jié)合面的中部，約為1m m，斜坡段結(jié)合面開度均小于0.1m m。從每年最大開度發(fā)展趨勢看，結(jié)合面上大部分點的開度值逐漸增大，但增幅逐年減小，最后縫面達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，分析其原因主要是新貼坡混凝土的平均溫度逐年升高，其彈性模量逐年增大所致。

3.5.5 主要施工措施

非溢流壩加高主要采用直接澆筑貼坡混凝土施工方式；結(jié)合面采取設(shè)置鍵槽、植入錨筋、設(shè)置排水等結(jié)構(gòu)措施；采用相對高標(biāo)號混凝土，使新混凝土彈模值接近老混凝土；為避免應(yīng)力集中，拆除老壩體突出部位混凝土；從嚴(yán)采用溫控標(biāo)準(zhǔn)，將貼坡混凝土最高溫度控制在年平均氣溫以上10℃左右，并在齡期一個月以內(nèi)將混凝土溫度冷卻到年平均氣溫（15.8℃以下），加強(qiáng)新澆混凝土的養(yǎng)護(hù)。

3.6 溢流壩新老混凝土結(jié)合措施

溢流壩堰面加高，不僅要考慮新澆筑混凝土與老壩體堰面的結(jié)合，還要考慮堰面加高混凝土與閘墩之間的結(jié)合。如采用直接貼坡澆筑堰面混凝土，需解決新澆筑混凝土與閘墩之間脫開對閘墩產(chǎn)生較大拉應(yīng)力問題；如采用預(yù)留寬槽回填澆筑混凝土，寬槽最深達(dá)14m，需解決施工難度較大的問題。仿真計算分析表明，新加高堰面混凝土與閘墩之間縫面開度大于8m m時，加高堰面對閘墩基本無約束作用，閘墩橫向變形大，閘墩與初期堰面的角隅將出現(xiàn)很大的拉應(yīng)力；縫面開度較小時，因加高堰面對閘墩具有一定約束作用，壩體及閘墩中出現(xiàn)的拉應(yīng)力會隨開度的減小而減小，且最大拉應(yīng)力會從閘墩與初期堰面角隅處轉(zhuǎn)移到閘墩與加高堰面的角隅處。因此，溢流堰面加高采用直接貼坡澆筑與預(yù)留寬槽回填相結(jié)合的加高方式，即堰體混凝土施工總體采用整體一次性澆筑，但在閘墩接合面頂部2～3m范圍內(nèi)預(yù)留寬1.2m的寬槽，沿閘墩全長布置，并在閘門底坎位置槽中設(shè)置隔墻度汛，待汛后低溫季節(jié)進(jìn)行寬槽回填。這樣處理后，就可以使得堰面新澆加高混凝土與閘墩之間頂部的2～3m高的范圍內(nèi)能夠充分接觸，泄流時加高混凝土能為閘墩側(cè)向提供一個有效的支撐，使得閘墩受力狀況趨向合理。堰面加高時，在結(jié)合面還采取了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和排水措施。

3.7 新老混凝土界面處理措施

新老混凝土結(jié)合面強(qiáng)度一般低于整體澆筑混凝土，增加新老混凝土結(jié)合程度的最直接的方法就是增加結(jié)合面抗拉強(qiáng)度。具體施工時，需要對結(jié)合面老混凝土進(jìn)行鑿毛處理，去除老混凝土表面的老化薄弱層，選擇合理的界面劑以增強(qiáng)新老混凝土結(jié)合面的抗拉強(qiáng)度。

3.7.1 結(jié)合面強(qiáng)度對新老混凝土結(jié)合面開合率的影響

采用仿真計算模擬新老混凝土結(jié)合面不同強(qiáng)度、完工10年后新老混凝土結(jié)合面開合情況。結(jié)果表明，隨著新老混凝土結(jié)合面抗拉強(qiáng)度的增加，結(jié)合面閉合比例逐漸增加，張開的面積逐漸減小，當(dāng)結(jié)合面抗拉強(qiáng)度從0.2MP a增加到2MP a時，新老混凝土脫開面積從幾乎全部脫開到接近70%的面積閉合，冬季和夏季的開合比例基本一致，說明結(jié)合面抗拉強(qiáng)度對結(jié)合面張開比例有顯著影響。因此，加高工程在新老結(jié)合面采取了工程處理措施，以增加結(jié)合面抗拉強(qiáng)度，改善新老混凝土結(jié)合面工作條件。

3.7.2 新老混凝土結(jié)合面處理措施

經(jīng)檢測，老壩體碳化深度一般不超過1c m，但在裂縫處碳化深度相對較深，因此結(jié)合面處理時，對細(xì)小裂縫進(jìn)行鑿除，正常情況下，豎直面鑿毛深度為3～5c m，斜坡面和水平面鑿毛深度2～3c m。對老壩體進(jìn)行表面鑿除等處理后，在新老混凝土結(jié)合面涂刷界面劑，改善結(jié)合面的微觀結(jié)構(gòu)，提高粘接性能，根據(jù)試驗，不同界面劑，可增強(qiáng)界面抗拉強(qiáng)度8～60%。

3.7.3 界面劑材料

界面劑包括水泥凈漿或水泥砂漿，以及專用的界面膠。

（1）水泥凈漿或水泥砂漿

采用42.5MP a低熱礦渣硅酸鹽水泥或低熱微膨脹水泥為原料，對水泥凈漿以及水泥砂漿的抗剪、抗拉、抗?jié)B進(jìn)行了多方面的試驗研究。研究結(jié)果表明，當(dāng)水泥凈漿或水泥砂漿輔完后立即澆筑新混凝土要好于水泥凈漿或水泥砂漿終凝后再澆筑混凝土；砂漿的抗剪強(qiáng)度比凈漿稍小；低熱微膨脹水泥作為膠結(jié)材料時，結(jié)合面的膠結(jié)性能明顯提高，90天齡期后抗剪強(qiáng)度提高0.3～0.8MP a，軸拉強(qiáng)度提高0.2～0.4MP a。

（2）界面膠

采用專用界面膠進(jìn)行了現(xiàn)場生產(chǎn)試驗，試驗表明，無機(jī)類混凝土界面膠能適應(yīng)大體積混凝土澆筑潮濕環(huán)境，并可通過配方調(diào)整使之與大壩混凝土初凝時間大致相同；溫度適合、養(yǎng)護(hù)條件較好的情況下，界面膠抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于混凝土抗拉強(qiáng)度，采用界面膠后新老混凝土結(jié)合面之間不是混凝土最薄弱環(huán)節(jié)。

實際工程中，加高混凝土澆筑開倉前，大壩下游坡老混凝土面設(shè)一層厚1.5～2.0c m的水泥砂漿，砂漿標(biāo)號較倉內(nèi)混凝土標(biāo)號提高一級，水泥品種與倉內(nèi)混凝土所用水泥一致，以提高新老混凝土結(jié)合面強(qiáng)度。在門庫和閘墩部位新老混凝土結(jié)合面，采用深鑿毛處理，并涂無機(jī)類界面膠。

3.8 新老混凝土結(jié)合面結(jié)構(gòu)措施

新老混凝土結(jié)合面上，還采取了設(shè)置鍵槽、植入錨筋、設(shè)置排水措施、預(yù)留灌漿等措施，以確保新老混凝土聯(lián)合受力。

3.8.1 鍵槽措施

初期工程在部分壩段下游壩坡（包括豎直面及斜坡面）設(shè)置了一些鍵槽，但不完整，加高工程中需要在老壩體下游壩面增補(bǔ)人工鍵槽。為了解設(shè)置鍵槽與不設(shè)置鍵槽、設(shè)置三角形鍵槽還是設(shè)置梯形鍵槽的壩體應(yīng)力情況，對新老混凝土結(jié)合面不設(shè)置鍵槽、設(shè)置三角形鍵槽、設(shè)置梯形鍵槽三種方案，模擬加高施工過程，分析不同鍵槽形式對接觸狀態(tài)及壩踵應(yīng)力的影響。仿真計算結(jié)果表明，新老混凝土結(jié)合面上設(shè)置鍵槽后，在同一時刻，結(jié)合面上總有部分是接觸的，新老混凝土之間能夠傳遞壓力和剪力，增強(qiáng)了新老壩體的整體性，減小了壩體位移；不同鍵槽對壩體應(yīng)力影響不大；設(shè)置鍵槽有利于大壩的整體性。從大壩位移、縫面?zhèn)髁?、結(jié)合面開度等綜合分析，梯形鍵槽效果略好于三角形鍵槽，但考慮到施工和成本因素，加高工程所增加的鍵槽采用了三角形鍵槽，長邊70c m、短邊40c m、深30c m，鍵槽間距40c m。

3.8.2 錨筋措施

鑒于老壩體中的錨筋采用后期植入的方法，且受到溫度荷載的反復(fù)作用，采用了考慮錨筋與混凝土之間滑移效應(yīng)的方法研究錨筋對新老混凝土結(jié)合面開裂情況的影響。結(jié)果表明，新老混凝土之間采用錨筋措施對結(jié)合面開裂可以起到較好限制作用，在結(jié)合面頂部設(shè)置的鎖口錨筋加密布置、加大直徑，不僅可有效減小其開度，且可以有效減小開裂深度，其余部位加密錨筋作用相對較小。因此，對新老混凝土容易開裂的部位設(shè)置加密錨筋、加大錨筋的直徑和長度，以提高限制裂縫開度的作用。實際施工時，沿結(jié)合面法向布設(shè)砂漿錨筋，錨筋采用直徑25m m、長4.5m的Ⅱ級鋼筋，插入初期壩體2m、3m長短相間，間距2m×2m呈梅花形布置。在距壩體橫縫1m設(shè)置間距1m的單排鎖口錨筋，在初期壩頂部設(shè)置兩排直徑32m mⅡ級鋼筋、間距40c m的鎖口錨筋。

3.8.3 排水措施

分析表明，新老混凝土結(jié)合面不可避免出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，而由于下雨等情況在縫面可能出現(xiàn)滲水，如不能及時排出，會在結(jié)合面產(chǎn)生附加水壓力，導(dǎo)致縫面進(jìn)一步張開，因此，在結(jié)合面設(shè)置了排水措施。在左、右岸非溢流壩段原初期壩體下游面，每間隔約15m設(shè)置一根邊長10c m的三角形排水槽，上部從初期壩頂開始，下部接到貼坡混凝土內(nèi)縱向觀測排水廊道，廊道布置在靠近壩趾附近；溢流壩段分別在原堰頂高程132m處和閘墩后高程128m處設(shè)置一橫向排水廊道，并在溢流堰中軸線沿老堰面用縱向廊道將兩廊道連接，平面上呈“工”字型，通過18壩段高程128m縱向廊道通向大壩下游。

3.8.4 預(yù)留灌漿措施

對于可能出現(xiàn)的新老混凝土結(jié)合面裂縫，在遇到地震等極端情況下，有可能出現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)展的情況，因此在加高施工中預(yù)留了灌漿系統(tǒng)，作為大壩后期運行新老混凝土結(jié)合面修復(fù)的一種安全儲備措施。灌漿系統(tǒng)預(yù)埋于新澆貼坡混凝土內(nèi)，其中出漿管采用鉆孔預(yù)埋方式，止?jié){片采用切槽埋設(shè)方式，灌漿管路和排氣管均引至壩坡面。

4 抗震安全復(fù)核

按照相關(guān)規(guī)程規(guī)范，丹江口大壩設(shè)計地震為100年超越概率2%，校核地震為100年超越概率1%。根據(jù)丹江口大壩工程場地地震危險性分析，丹江口大壩工程場址100年超越概率2%和1%的基巖水平地震動峰值加速度分別為0.15g和0.18g。對丹江口大壩加高工程進(jìn)行抗震復(fù)核結(jié)果表明，壩體混凝土強(qiáng)度、建基面抗滑穩(wěn)定、土石壩壩坡穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求；在設(shè)計地震荷載作用下，壩體位移量值總體較小，各縫面張開度較小，壩體裂縫存在不同程度擴(kuò)展，縫的張開以及滑移量均不大，不致破壞止水設(shè)施的防水功能和大壩的正常運行；壩體會有較小范圍的局部損傷，但整體安全性滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

在丹江口水利樞紐初期壩工程加高期間，對初期工程混凝土質(zhì)量和缺陷進(jìn)行了全面檢查和相應(yīng)的處理，大壩加高工程新老混凝土結(jié)合面采取了傳力和排水措施，對新澆筑混凝土實施了嚴(yán)格的溫控措施，大壩加高工程已于2013年8月底全部完成并正式投入正常運用，在水庫蓄水位逐步抬高過程中經(jīng)受考驗。

［1］長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院等.南水北調(diào)中線一期工程可行性研究總報告［R］.2007.

［2］長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院等.丹江口大壩加高工程關(guān)鍵技術(shù)研究［R］.“十一五”國家科技支撐計劃項目——南水北調(diào)工程若干關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，2010.

［3］中國水利水電科學(xué)研究院.南水北調(diào)中線一期丹江口大壩加高工程蓄水安全評估（鑒定）報告［R］.2013.

［4］武漢大學(xué).丹江口大壩抗震分析報告［R］.2013.

［5］周厚貴.大壩加高混凝土施工技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2014.

T V 642

B

1672-2469（2015）06-0001-07

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.06.001

沈鳳生（1963年—），男，教授級高級工程師。