萬(wàn)家溝拱壩除險(xiǎn)加固方案研究

范瑞朋 任 堂 朱 濤 訾 娟

萬(wàn)家溝拱壩除險(xiǎn)加固方案研究

范瑞朋 任 堂 朱 濤 訾 娟

萬(wàn)家溝水庫(kù)擋水壩為混凝土雙曲拱壩，水庫(kù)于1997年建成，運(yùn)行近20年，存在諸多不安全隱患。2009年被鑒定為三類(lèi)病險(xiǎn)壩。通過(guò)對(duì)萬(wàn)家溝拱壩壩體應(yīng)力的復(fù)核及除險(xiǎn)加固方案的研究，明確了大壩存在壩體拉應(yīng)力超標(biāo)等問(wèn)題, 提出了解決問(wèn)題的方案,研究了壩體3個(gè)加固的方案 (恢復(fù)保溫層、重力壩加固、拱壩加固)，綜合比選后, 推薦采用拱壩加固處理方案。

病險(xiǎn)水庫(kù) 除險(xiǎn)加固 雙曲拱壩

1 工程概況

萬(wàn)家溝水庫(kù)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)土默特左旗的萬(wàn)家溝上，是一座以防洪為主、兼顧灌溉的綜合利用水庫(kù)。水庫(kù)總庫(kù)容2 576萬(wàn)m3，為中型水庫(kù)，該水庫(kù)擋水建筑物為混凝土變厚三心圓拱壩，拱壩最大壩高56.79 m，弧長(zhǎng)275.06 m，拱頂厚度為3.8 m。萬(wàn)家溝水庫(kù)壩體混凝土澆筑于1997年基本完成，工程投入運(yùn)行，但基礎(chǔ)灌漿、接縫處理、拱壩下游底部保溫模板等工程并未完工，水庫(kù)一直低水位運(yùn)行。大壩運(yùn)行至今，壩體存在接縫處多處漏水，壩面保溫板脫落，泄洪沖沙洞閘門(mén)止水失效等問(wèn)題。 2009年3月, 內(nèi)蒙古自治區(qū)水利廳組織專(zhuān)家對(duì)大壩進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢查和安全鑒定。鑒定水庫(kù)大壩安全類(lèi)別為三類(lèi)壩。針對(duì)大壩出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。

2 拱壩應(yīng)力復(fù)核

2.1 計(jì)算方法

壩體應(yīng)力計(jì)算采用多拱梁法，選用水科院編制的ADASO計(jì)算程序。將拱壩分成6拱13梁，各層拱圈高程依次為1 129.41、1 118.41、1 107.41、1 096.41、1 085.41、1 077.21 m。

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，確定計(jì)算荷載組合工況為：

①水庫(kù)正常蓄水位及相應(yīng)的尾水位和設(shè)計(jì)正常溫降；

②水庫(kù)正常蓄水位及相應(yīng)的尾水位和設(shè)計(jì)正常溫升；

③水庫(kù)死水位及相應(yīng)的尾水位和此時(shí)出現(xiàn)的設(shè)計(jì)正常溫升；

④設(shè)計(jì)洪水位及相應(yīng)的尾水位和此時(shí)出現(xiàn)的設(shè)計(jì)正常溫升；

⑤校核洪水位及相應(yīng)的尾水位和此時(shí)出現(xiàn)的設(shè)計(jì)正常溫升；

⑥水庫(kù)正常蓄水位及相應(yīng)的尾水位和設(shè)計(jì)正常溫降加地震；

⑦水庫(kù)正常蓄水位及相應(yīng)的尾水位和設(shè)計(jì)正常溫升加地震。

其中工況①、②、③、④為基本組合，工況⑤、⑥、⑦為特殊組合。

2.3 計(jì)算參數(shù)

2.3.1 壩體混凝土

變形模量E：2.0×107kPa；泊松比μ：0.167；線(xiàn)脹系數(shù)：0.8×10-5/℃。

2.3.2 基巖

變形模量ER：1.0×107kPa；泊松比μ：0.2；線(xiàn)脹系數(shù)：0.8×10-5/℃。

2.4 封拱溫度

原拱壩封拱溫度見(jiàn)表1。

表1 原拱壩各高程封拱溫度

2.5 計(jì)算結(jié)果

各種工況計(jì)算出的最大拉、壓應(yīng)力值見(jiàn)表2。計(jì)算結(jié)果中規(guī)定：正為壓應(yīng)力，負(fù)為拉應(yīng)力。拱冠梁最大位移：正為指向下游，負(fù)為指向上游。

表2 壩體各工況主應(yīng)力計(jì)算成果表

計(jì)算結(jié)果表明，在工況①、工況③、工況⑥情況下拱壩最大主拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的允許值，壩體易開(kāi)裂。在工況②、工況③、工況④、工況⑥、工況⑦情況下壩體最大壓應(yīng)力也大于壩體現(xiàn)狀允許壓應(yīng)力，不滿(mǎn)足大壩安全運(yùn)行要求。

3 加固方案研究

根據(jù)本次工程病險(xiǎn)調(diào)查與分析，結(jié)合工程安全鑒定結(jié)果，壩體結(jié)構(gòu)問(wèn)題為：壩體斷面單薄，混凝土強(qiáng)度等級(jí)低于設(shè)計(jì)值，壩體存在結(jié)構(gòu)安全隱患,且壩體上下游保溫板脫落后，壩體受力狀態(tài)惡化，溫度荷載直接作用于壩體，結(jié)構(gòu)安全隱患進(jìn)一步加劇。同時(shí)，壩體混凝土與地基結(jié)合不良，影響壩體結(jié)構(gòu)正常受力。

本工程除險(xiǎn)加固處理方案選擇原則確定為：在充分利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過(guò)不同方案比選確定壩體結(jié)構(gòu)最終加固方案，特別注意溫度荷載和地震荷載對(duì)壩體結(jié)構(gòu)的影響。最終擬定3個(gè)方案(見(jiàn)圖1)進(jìn)行計(jì)算分析比較：(1)恢復(fù)保溫層方案；(2)重力壩方案；(3)拱壩加厚方案。

圖1 壩體加固方案拱冠梁斷面圖(單位：m)

3.1 計(jì)算分析

3.1.1 恢復(fù)保溫層方案

由于保溫板對(duì)溫升荷載影響不大，但對(duì)溫降荷載有明顯的降低作用，因此，只對(duì)①正常蓄水位+溫降及⑥地震+正常蓄水位+溫降兩種工況進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 有保溫板壩體各工況主應(yīng)力計(jì)算成果表

計(jì)算結(jié)果表明，恢復(fù)保溫板可有效地降低溫降荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，工況①的壩體最大主拉應(yīng)力已滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的允許值，但在地震荷載作用下，壩體最大主拉應(yīng)力仍較大，且下游壩體最大壓應(yīng)力增加近10%，均不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.1.2 重力壩方案

考慮到壩體現(xiàn)狀，在壩體后面貼混凝土來(lái)改變壩體受力狀態(tài)，不考慮拱的作用，只對(duì)原拱壩橫縫進(jìn)行止水處理，利用壩體自身重力來(lái)承擔(dān)水荷載及溫度荷載，即按重力壩型式對(duì)壩體進(jìn)行加固，來(lái)滿(mǎn)足壩體結(jié)構(gòu)安全要求。

計(jì)算取最大壩高處，即原拱壩拱冠梁處為典型剖面，按抗剪斷公式計(jì)算(f′=0.7，c′=0.6 MPa)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 重力壩方案計(jì)算工況及計(jì)算成果表

計(jì)算結(jié)果表明，在各種組合下，壩基應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.1.3 拱壩加厚方案

原壩體橫縫進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)脂灌漿，封閉滲漏通道，采用壩下游整體加厚的方法。此方法加大了壩體和壩肩的接觸面積，在溫升時(shí)將增大拱端推力，不利于壩肩穩(wěn)定。在溫降時(shí)，連續(xù)的加固拱圈易產(chǎn)生裂縫。采取在壩后全面加厚的混凝土中設(shè)置橫縫，即用類(lèi)似支墩的垂直梁在壩后對(duì)壩體進(jìn)行全面加固，這樣即可使加厚的新混凝土承載部分水壓，減小壩體的溫度變化；又可使新貼混凝土不產(chǎn)生較大的拱座推力。根據(jù)水庫(kù)的運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)3種不利工況進(jìn)行計(jì)算：①水庫(kù)正常蓄水位及相應(yīng)的尾水位和溫降；③水庫(kù)死水位及相應(yīng)的尾水位和溫升；⑥水庫(kù)正常蓄水位及相應(yīng)的尾水位和溫降加地震。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 拱壩加固方案最大應(yīng)力及位置表

計(jì)算結(jié)果表明，各工況的壩體最大主拉、壓應(yīng)力均滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的允許值。

3.2 方案比選

按原設(shè)計(jì)恢復(fù)保溫層，在地震工況及溫升工況下壩體應(yīng)力仍超出現(xiàn)狀規(guī)范規(guī)定的允許應(yīng)力值，大壩結(jié)構(gòu)安全隱患得不到徹底解決。同時(shí)，通過(guò)在壩體表面加設(shè)保溫層來(lái)達(dá)到降低溫度變化對(duì)壩體應(yīng)力的影響的方法，在工程上主要作為防止壩體表面裂縫的產(chǎn)生而做的預(yù)防安全措施，作為永久工程措施其可靠性、耐久性、時(shí)限性較差；因此，根據(jù)現(xiàn)狀情況，此加固方案不宜采用。

重力壩方案結(jié)構(gòu)作用清楚，設(shè)計(jì)、施工較為簡(jiǎn)單，對(duì)混凝土強(qiáng)度要求低，但其體積較大，耗材較多，材料強(qiáng)度未得到充分利用。

拱壩加厚方案主要是利用拱梁分載，充分發(fā)揮混凝土的抗壓強(qiáng)度，壩身斷面較小，耗材較少，混凝土自身的抗壓和抗拉性能得到了充分發(fā)揮，因此，將拱壩加厚方案作為萬(wàn)家溝水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程的推薦方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)萬(wàn)家溝水庫(kù)壩體橫縫滲漏嚴(yán)重，保溫板脫落等影響壩體安全問(wèn)題，對(duì)壩體進(jìn)行了應(yīng)力復(fù)核，明確了大壩存在壩體拉應(yīng)力超標(biāo)等問(wèn)題。根據(jù)工程特點(diǎn)提出了不同的加固方案，分析比較后確定了拱壩加厚的解決方案。結(jié)果表明，加固后解決了壩體本身問(wèn)題，保證了大壩穩(wěn)定性。

范瑞朋 男 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

任 堂 男 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

朱 濤 男 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

訾 娟 女 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

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