某碾壓混凝土拱壩病險處理研究

張 雄

(水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京100120)

1 工程概況

某碾壓混凝土雙曲拱壩最大壩高95 m，壩頂高程653 m，正常蓄水位650 m，死水位630 m。壩底高程555 m，壩頂寬5 m，拱冠梁底寬22.0 m，拱冠梁厚高比0.232，壩頂中心線弧長299.56 m，弧高比3.153，頂拱中心角80.624°。大壩共設(shè)置了4條橫縫，分縫間距約60 m。橫縫采用通縫布置。泄洪建筑物由沖沙底孔和溢流表孔組成。溢流表孔布置在壩頂中部，堰頂高程643.5 m，共設(shè)3孔，每孔凈寬10 m。沖沙底孔布置于左岸，底板高程605.0 m。泄洪建筑物采用挑流的消能方式，拱壩下游設(shè)置水墊塘和二道壩，水墊塘采用護坡不護底的結(jié)構(gòu)形式。拱壩立面布置如圖1所示。

拱壩混凝土于2013年3月18日開始澆筑，2013年6月10日大壩澆筑至高程578.5 m時，檢查發(fā)現(xiàn)壩體混凝土透水率超標，停止了混凝土澆筑并進行處理；2014年3月18日恢復(fù)大壩混凝土澆筑，2015年5月大壩碾壓混凝土澆筑完成。2016年10月3日，大壩補強加固工程施工全部完成。2017年2月22日開始下閘布置于壩身的導(dǎo)流底孔，此后水庫開始正式蓄水。

圖1 拱壩立面布置示意

有關(guān)病險壩的報道并不少見，大多是運行多年或建于特殊年代，國內(nèi)外學(xué)者做了諸多研究。從國內(nèi)外的報道可見，引起拱壩出現(xiàn)病險情況的主要有：溫度變化、壩體材料質(zhì)量惡化、地質(zhì)條件惡化、滲流滲壓超標、地震等外界條件環(huán)境發(fā)生變化等引起的[1-5]。其中，由溫度變化引起的比較多，如東江拱壩、豐樂拱壩、普定拱壩、金坑拱壩、二灘拱壩、陳村重力拱壩、小灣拱壩在施工期或在運行期出現(xiàn)不同程度的溫度裂縫，像二灘拱壩施工期僅發(fā)現(xiàn)19條裂縫，大壩運行6年后，壩身重新發(fā)現(xiàn)多條裂縫，2006年3月共發(fā)現(xiàn)裂縫128條[2]。拱端、壩基地質(zhì)條件惡化、滲流滲壓超標破壞失事后果最為嚴重，如法國馬爾帕塞拱壩，因拱端地質(zhì)條件不好，導(dǎo)致失事[3]；奧地利的科恩布賴拱壩，因壩踵漏水開裂歷經(jīng)10年加固處理[4]。

像施工期就暴露諸多問題并集于一身的工程還是少見的，如何評價該病險壩，需不需要加固處理，處理后能否正常蓄水等問題值得深入研究。本文對其質(zhì)量缺陷、地質(zhì)條件、處理方案等進行了分析與探討，并通過三維有限元仿真分析進行定量分析。

2 主要質(zhì)量缺陷

在施工過程中出現(xiàn)了比較嚴重的質(zhì)量缺陷，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)大壩混凝土不同程度地存在抗壓強度未達到設(shè)計強度的情況，其中2014年4月～2014年6月澆筑的大壩碾壓混凝土590～ 611 m高程區(qū)域低強情況突出，該區(qū)域變態(tài)混凝土低強情況尤為嚴重。依據(jù)現(xiàn)場取心等檢測確定的大壩混凝土的強度狀況見表1。

(2)壩體混凝土現(xiàn)場溫控未達到設(shè)計要求。設(shè)計要求混凝土出機口溫度應(yīng)控制在18 ℃以內(nèi)，因施工中無制冷系統(tǒng)，骨料未預(yù)冷，且只能采用加冷水拌和，致使實測的混凝土出機口最大溫度達28 ℃以上，加之水管冷卻通水不及時、冷卻水溫偏高、通水中斷或流量不足等因素的影響，混凝土內(nèi)部最高溫度達50 ℃以上，大大超過設(shè)計容許最高溫度(30～36 ℃)。578.5 m高程以下冷卻水管因壩體缺陷處理進行加強灌漿全部破壞，578.5～612 m高程區(qū)域冷卻水管因進行壩基帷幕灌漿也部分遭受破壞，冷卻水管遭受破壞的區(qū)域已不能進行二期通水冷卻，混凝土溫度無法降低到設(shè)計封拱灌漿溫度(14～16 ℃)。

(3)大壩578.5 m高程以下碾壓混凝土抗?jié)B性較差，存在不密實現(xiàn)象，壩體混凝土透水率偏大，高程578.5～ 612 m碾壓混凝土抗?jié)B性局部存在問題。

(4)壩體裂縫。在大壩澆筑過程中，在混凝土倉面內(nèi)檢查驗收時發(fā)現(xiàn)了22條裂縫，碾壓混凝土澆筑過程中和完成后對大壩上下游面全面進行裂縫檢查，目前在上游面共發(fā)現(xiàn)97條裂縫，在下游面共發(fā)現(xiàn)38條裂縫。大壩上下游面表面裂縫占了目前發(fā)現(xiàn)裂縫總數(shù)的約86%，多為淺表層裂縫，在壩面各個部位及各個方向均有可能發(fā)生，無特別的規(guī)律性，產(chǎn)生裂縫的主要原因為晝夜溫差大，混凝土表面保溫不到位所致。圖2為壩體上下游面裂縫分布。

3 地質(zhì)條件

工程場地50年超越概率10%、5%的基巖水平地震動峰值加速度分別為29.3g和40.8g，地震基本烈度為Ⅷ度，屬于高震區(qū)。

壩址區(qū)河谷狹窄，河床覆蓋層薄，基巖為二疊系下統(tǒng)沙子坡組灰?guī)r、白云巖及灰質(zhì)白云巖，巖體內(nèi)小斷層及巖溶較發(fā)育。經(jīng)開挖后，拱壩河床及兩岸壩肩主要建基于弱溶蝕的Ⅲ1類巖體中，部分中等～強溶蝕巖體、溶蝕裂隙及小溶洞等地質(zhì)缺陷，經(jīng)處理后地基巖體滿足拱壩建基要求。

表1 大壩混凝土芯樣抗壓強度檢測結(jié)果統(tǒng)計

圖2 壩體裂縫分布示意

勘探及開挖揭露顯示：左岸抗力體巖體多新鮮完整，以Ⅱ類巖體為主，建基面附近為Ⅲ1類巖體；右岸抗力體巖體溶蝕相對較發(fā)育，以Ⅲ1類、Ⅱ類巖體為主，抗力體巖體質(zhì)量總體較好。兩岸抗力體中未見影響抗滑穩(wěn)定的不利結(jié)構(gòu)面組合，不存在抗滑穩(wěn)定問題。右岸抗力體發(fā)育2個順河向溶洞，洞長分別約為40、440 m，洞高0.5～7 m，與建基面水平距離分別約為20、86 m，已進行了局部的混凝土封堵。

從地質(zhì)條件來看，兩岸抗力體條件較好，拱壩的整體安全是有保證的。

4 處理措施及檢測成果

4.1 578.5 m高程以下加固灌漿

根據(jù)大壩整體施工要求，加固灌漿按4號→2號→3號壩段順序施工。灌漿施工時，先進行Ⅰ序孔施工，再進行Ⅱ序孔施工，最后進行Ⅲ序孔施工；灌漿孔完成達到設(shè)計及規(guī)范要求后，再進行灌后壓水試驗檢查工作。

灌漿處理后合格標準：上游二級配碾壓混凝土透水率≤1 Lu，下游三級配碾壓混凝土透水率≤3 Lu。灌漿孔間排距為三級配碾壓混凝土區(qū)域1.5 m×1.5 m，二級配碾壓混凝土區(qū)域1.0 m×1.5 m(排距×孔距)。

578.5 m高程平臺面上壩體兩側(cè)(2號、4號壩段)灌漿孔孔深為入巖0.5 m，3號壩段灌漿孔孔深為18m(孔底高程為高程560.5 m)。先鉆灌奇數(shù)排，后灌偶數(shù)排，同排分3個次序加密的原則鉆灌施工，用42.5級水泥進行灌漿，I、II序孔采用普硅水泥，III序孔采用超細水泥。灌漿漿液配比為1∶1、0.8∶1、0.5∶1三個比級的純水泥漿，若灌前透水率值較小(q<10 Lu)時，采用1∶1水灰比開灌；若灌前透水率值較大(q≥10 Lu)時，采用0.8∶1水灰比開灌，最終均以0.5∶1水灰比結(jié)束灌漿。

2號～4號壩段壩體碾壓混凝土加固灌漿工程共計完成灌漿孔鉆灌643個，鉆灌8 808 m；檢查孔64個，鉆孔823.57 m，壓水試驗178段。壩體加固灌漿單位注灰量<50 kg/m段數(shù)累計頻率為95%(其中<10 kg/m累計頻率為61%)，灌漿單位注量>100 kg/m段數(shù)累計頻率為2%，說明大部分壩體混凝土可灌性差，混凝土總體密實性好，只有局部少數(shù)壩體混凝土具有一定的可灌性。

灌漿質(zhì)量檢查孔共布設(shè)64個，檢查孔的數(shù)量達到灌漿孔總數(shù)10%，壓水試驗主要采用單點法，部分采用五點法。根據(jù)壓水檢查，壩體混凝土最大透水率為2.82 Lu，最小透水率為0，平均透水率為0.78 Lu，滿足設(shè)計透水率要求。加固灌漿處理后，高程578.5 m以下大壩混凝土質(zhì)量得到較大改善，二級配、三級配混凝土的透水率均滿足設(shè)計要求。

4.2 大壩上游面聚脲防滲涂層

為提高大壩上游壩面防滲能力，對1號～5號壩段568～636 m高程壩體上游面增設(shè)了聚脲防滲涂層工程措施。聚脲防滲涂層施工日期為2015年3月1日～2016年1月28日。聚脲噴涂施工采用雙組份噴涂機進行，在整個施工過程中進行壓力監(jiān)控，噴涂時壓力范圍在1 700～2 500 Psi之間，以確保A、B兩組分充分混合?；鶎颖砻嬗酶邏核疀_洗干凈后，表面出現(xiàn)缺陷的部位用專用修復(fù)砂漿修補平整。噴涂施工主要工藝為基面檢查→基面清理→高壓水基面清洗→基層孔洞缺陷修復(fù)→界面劑底漆→噴涂聚脲彈性防水涂層→驗收。

噴涂聚脲防滲層質(zhì)量檢測包括涂層外觀質(zhì)量目視檢查、聚脲材料性能檢測、聚脲噴涂厚度檢測。外觀要求無鼓泡、傷痕、流掛痕跡、凹凸不平、硬化不良等缺陷。噴涂厚度設(shè)計為4 mm，厚度不小于設(shè)計值的95%為合格，涂層厚度檢查有針刺法及割取一塊涂層實測厚度。聚脲噴涂24 h后進行聚脲厚度檢測，每100 m2檢查3個點，由監(jiān)理工程師現(xiàn)場隨機指定檢測位置，割取20 mm2實樣用卡尺測量厚度。

目視、指觸檢查確認噴涂的聚脲防滲層無鼓泡、傷痕、流掛痕跡、凹凸不平、硬化不良等缺陷。涂層厚度進行了針刺法和割取法檢查，每100 m2抽檢3處，共計檢查416個點，其中針刺法共檢查297個點，割樣檢查119個點，全部合格。整個工作面噴涂厚度檢查合格率為100%。

4.3 壩后增設(shè)補強體

針對碾壓混凝土拱壩施工質(zhì)量缺陷，考慮了多種方案進行補強加固，方案的基本思路為通過加固“拱端”來達到減小壩體應(yīng)力的目的，具體方案有加大貼腳611.7 m高程(頂寬5 m，底寬22 m)+壩肩槽回填；加小貼腳579.0 m高程(頂寬1.4 m，底寬16 m)+壩肩槽回填。同時，研究了加支墩和在大壩中部混凝土低強區(qū)增大拱端厚度等的組合方案。

在比較各加固方案的利弊后，選定大壩下游貼腳高10 m到568.0 m高程，頂寬1.2 m按1∶1放坡與壩基面558.0 m高程相交，底部寬度約7.8 m，兩岸拱肩槽回填到630.0 m高程作為大壩補強加固的方案。

補強體按原壩體2號、3號橫縫(延伸)位置進行分縫。補強體混凝土強度等級為C20，對補強體與拱壩壩體接觸面要求進行鑿毛處理并布置插筋：Φ25 mm@1.0 m×1.0 m，L=2.25 m，錨入原壩體1.2 m；補強體混凝土冷卻至穩(wěn)定溫度后，視接觸面張開情況，通過打孔的方法進行接觸灌漿，鉆孔間距為2 m×2 m(穿過縫面處的距離)，考慮到補強體基礎(chǔ)圍巖受卸荷和溶蝕影響，以IV類巖體為主(實際考慮為III2類)，除固結(jié)灌漿(@3 m×3 m，孔深5～8 m)外，補強體上設(shè)1 500 kN預(yù)應(yīng)力錨索，間距約5 m。以保證補強體與壩體形成可靠的整體，如圖3所示。

圖3 補強體示意

通過三維有限元計算結(jié)果表明，加固后，壩體位移減小，下游拱冠梁順河向位移由設(shè)計方案的37 mm、加固前實際方案(考慮壩體混凝土實際強度及實際溫度等簡稱為實際方案)的36.8 mm變?yōu)?3.5 mm，當兩岸加高至610 m高程時，下游拱冠梁順河向位移為33.6 mm。計算結(jié)果表明，經(jīng)補強加固后壩體剛度增大，位移減小。

實際方案與設(shè)計方案上游壩面610 m高程以下左右拱端及壩底部，主拉應(yīng)力均大于1.5 MPa，兩者區(qū)別不大，補強體的設(shè)置稍微減少了左右拱端大于1.5 MPa的范圍，總體影響不大。但補強體的設(shè)置使得壩體及基礎(chǔ)的塑性余能范數(shù)與屈服區(qū)體積大幅減小，反映了補強體的設(shè)置對壩體及基礎(chǔ)的應(yīng)力改善有明顯的效果。

5 仿真分析

大壩加固體實施完成后，針對壩體橫縫局部灌區(qū)封拱溫度仍不能滿足設(shè)計調(diào)整后的要求、壩體出現(xiàn)淺表性裂縫及兩岸岸坡壩段產(chǎn)生2條上下游貫穿性裂縫等問題，按照實際的封拱溫度和壩體實際情況，對復(fù)核拱壩蓄水過程和正常運行狀況下應(yīng)力狀態(tài)，壩體整體穩(wěn)定和拱壩超載安全裕度等進行了復(fù)核。

計算采用三維線彈性有限元方法復(fù)核壩體的應(yīng)力狀態(tài)，考慮基礎(chǔ)地形條件、地質(zhì)材料分區(qū)和其中軟弱夾層等，壩體同樣考慮材料分區(qū)、壩體孔口和閘墩、壩體混凝土裂縫以及上下游加固體。模型中坐標具體指向如下：x向為左右岸方向，正向指向左岸；y為上下游方向，正向指向上游；z為鉛直方向，正向向上。網(wǎng)格模型共有實體單元485 612個，結(jié)點503 593個。模型中壩體和基礎(chǔ)網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格，部分為五面體過渡網(wǎng)格。

混凝土計算采用實測強度值，具體計算取值見表2。

表2 大壩混凝土抗壓強度實測值 MPa

復(fù)核封拱溫度取值見表3。大壩612 m高程以上封拱灌漿溫度敏感性分析時，封拱溫度分別取18 ℃和20 ℃。

表3 實際封拱溫度

主要的計算成果表明：

(1)大壩變形基本對稱分布，總體符合拱壩常規(guī)變形規(guī)律，上游水位抬升和環(huán)境溫度降低會使大壩向下游變形增大。在現(xiàn)有計算條件下，未蓄水時大壩向上游變形，最大變形值8.51 mm；冬季死水位時壩體向下游變形，最大為6.96 mm，一旦溫度升高，大壩轉(zhuǎn)為向上游變形，最大變形值8.17 mm，但最大變形值位置并不一致；正常水位時，最大變形均出現(xiàn)在大壩頂拱中部，夏季和冬季最大向下游變形分別為14.1 mm和22.9 mm。圖4為冬季正常蓄水位時順河向位移分布。

圖4 冬季正常蓄水位時上游面順河向位移分布(單位：mm)

(2)大壩應(yīng)力總體對稱分布，但由于壩后加固體作用，大壩應(yīng)力與拱壩常規(guī)應(yīng)力分布規(guī)律略有不同；未蓄水時大壩有限元最大拉應(yīng)力為1.7 MPa，最大壓應(yīng)力8.62 MPa，等效后最大主拉應(yīng)力1.11 MPa，最大主壓應(yīng)力為3.86 MPa，分別出現(xiàn)在下游面高程610 m拱端附近和上游面底部拱端附近，拉應(yīng)力不滿足規(guī)范要求。蓄水后，大壩上、下游面最大拉應(yīng)力出現(xiàn)冬季正常蓄水位時，其中上游面在3號壩段底部左右兩側(cè)，最大為2.8 MPa，下游面在3號壩段中部約615 m高程，最大為1.7 MPa；上游面最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在夏季死水位時的壩踵位置，為5.8 MPa，下游面最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在夏季正常蓄水位時的加固體頂部附近，為6.6 MPa。等效后，大壩各工況上、下游面最大拉應(yīng)力分別為0.79 MPa和0.73 MPa；最大壓應(yīng)力分別為4.07 MPa和3.01 MPa。小于混凝土允許拉應(yīng)力和允許壓應(yīng)力。圖5為冬季正常蓄水位時等效后上游面第一主應(yīng)力分布。

圖5 冬季正常蓄水位時等效后上游面第一主應(yīng)力分布(單位：MPa)

(3)地震工況下，振型分解反應(yīng)譜法動應(yīng)力響應(yīng)較大，部分區(qū)域動拉應(yīng)力不滿足規(guī)范要求；時程法分析大壩上下游面最大動拉應(yīng)力分別為3.38、4.62 MPa，超過混凝土動抗拉強度值，但持時較短(0.06 s以內(nèi))，且沿壩厚方向超標范圍總體較淺；最大動壓應(yīng)力約10.9 MPa，滿足混凝土動抗壓強度容許值。

(4)612 m高程原封拱溫度16 ℃，隨著封拱溫度提高(18、20 ℃)，壩體順河向變形有所增加，最大主拉壓應(yīng)力有所提高，等效后拉壓應(yīng)力均小于混凝土容許強度；582.5 m高程以下封拱灌漿溫度21、22 ℃對比分析表明，兩工況下壩體變形及應(yīng)力分布和量值基本相同，均能滿足規(guī)范要求。敏感性分析認為，拱壩612 m以上高程封拱提高到18 ℃，582.5 m以下高程封拱溫度提高至22 ℃是可行的。

(5)極限超載能力分析表明，大壩變形曲線出現(xiàn)拐點和計算無法收斂對應(yīng)安全度分別為4.25和4.75，拱壩具備一定超載安全裕度。

6 蓄水后主要監(jiān)測成果分析

2017年2月22日大壩導(dǎo)流底孔下閘，水庫開始蓄水，至2017年5月4日水庫蓄水至死水位630 m，至2017年6月17日水庫蓄水至648.30 m高程，隨后開啟溢流表孔控制庫水位。2017年8月19日，首臺機組投產(chǎn)發(fā)電。2017年10月18日，關(guān)閉溢流表孔，停止泄水，期間庫水位基本控制在648 m高程，最高水位至649.20 m，目前庫水位636 m左右。

截至2017年11月10日，壩基多點位移計、基巖變位計、測縫計測值不大，總體為壓縮變形，蓄水以來變化平穩(wěn)。隨水位抬升大壩徑向位移總體呈向下游變形趨勢，拱冠梁壩段壩頂累計位移最大為8.44 mm，切向位移總體呈左岸壩體向左岸變形，右岸壩體向右岸變形，位移最大為2.7 mm。水庫水位從630 m蓄至648 m過程中，壩頂徑向位移增加5.12 mm；三維有限元復(fù)核計算死水位到正常蓄水位工況下壩頂徑向位移增加約18 mm。庫水位上升過程中，徑向變形實測值和設(shè)計計算值變化規(guī)律一致，實測值略小。拱壩左右岸變形基本對稱、變形協(xié)調(diào)，符合拱壩受力一般規(guī)律。

目前大壩滲漏量較小，僅在612 m高程以下的壩面和廊道內(nèi)有輕微滲水點，對壩體廊道和下游壩面發(fā)現(xiàn)的大壩滲水點，組織專業(yè)隊伍采用環(huán)氧材料進行了化學(xué)灌漿處理，滲水點經(jīng)灌漿處理后效果良好，已無滲水點。584 m高程總滲流量為0.993 L/s，612 m高程總滲流量為0.138 L/s，大壩總滲流量為1.131 L/s。在648 m水位期間，584 m高程總滲流量有所增大，612 m高程總滲流量保持穩(wěn)定。

補強體與壩體接縫測縫計目前開合度在0.02～0.18 mm，蓄水期間變化量在0.04～0.07 mm，當前測值和蓄水期間變化量微小且處于平穩(wěn)狀態(tài)。

根據(jù)大壩變形、應(yīng)力、基礎(chǔ)滲壓和滲流、溫度等監(jiān)測資料，結(jié)合有限元復(fù)核計算分析成果，拱壩初期運行工作性態(tài)基本符合一般規(guī)律，大壩運行狀態(tài)正常。

7 結(jié) 論

通過加強灌漿、上游面增設(shè)了聚脲防滲涂層、壩后增設(shè)補強體有效地解決了碾壓混凝土壩在施工中存在的低強、碾壓不密實等嚴重質(zhì)量缺陷，通過有限元計算并經(jīng)蓄水檢驗，目前該碾壓混凝土拱壩整體安全。通過該病險壩的治理得到一些啟示：

(1)拱壩是具有較高安全度的。只要兩岸拱端的抗力體承載沒有問題，即使壩身有一些質(zhì)量缺陷，通過修補，不會影響到拱壩的整體安全。

(2)通過計算與后續(xù)的監(jiān)測成果顯示，補強體只是一個提高拱壩安全儲備的措施，對拱壩的變形和應(yīng)力有一定的改善作用，但效果不明顯。作者認為即使不增設(shè)補強體也不會影響到拱壩的整體安全。鑒于拱壩位于高地震烈度區(qū)，增設(shè)補強體可以提高壩體的安全系數(shù)。

(3)適當放寬封拱溫度是可行的。從筆者參加驗收的國內(nèi)數(shù)個拱壩工程，普遍發(fā)現(xiàn)蓄水后實測的封拱溫度普遍高于設(shè)計封拱溫度，但總體上運行良好。說明設(shè)計采用的封拱溫度標準較高，實際難以達到，可研究適當放寬1～2 ℃。