東坑病險(xiǎn)壩加固技術(shù)研究應(yīng)用

李煊明

（福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，福建福州350001）

1 工程概況

東坑水庫總庫容1 666萬m3，大壩原設(shè)計(jì)為混凝土面板堆石壩，迎水坡坡比1∶0.5。壩體上游迎水面采用混凝土面板防滲，面板坐落在剛性漿砌石斜墻上，壩體下游側(cè)為堆石體，背水坡為干砌石護(hù)坡，壩頂高程364.9 m，最大壩高42.0 m。東坑水庫大壩1976年4月動(dòng)工興建，1980年6月建成蓄水。由于水庫大壩施工時(shí)填筑質(zhì)量差，密實(shí)度低，同時(shí)填筑壩體部分堆石料強(qiáng)度低，泡水后軟化，在受擠壓狀態(tài)下易破碎，致使樞紐工程投入運(yùn)行以來，大壩出現(xiàn)較大的位移及沉降變形、面板嚴(yán)重開裂，壩體漏水嚴(yán)重，最大滲漏水量達(dá)724.7 L/s?，F(xiàn)場巡查發(fā)現(xiàn)壩體位移、沉降變形嚴(yán)重，下游壩面拱起，壩頂防浪墻往下游拱曲，據(jù)壩頂變形觀測(cè)資料，防浪墻最大累積變形量達(dá)87 cm，上游面板縱橫裂縫明顯，壩頂下游側(cè)沉降開裂。對(duì)大壩出現(xiàn)的沉降變形嚴(yán)重、面板開裂、壩體漏水等安全隱患，水庫管理部門進(jìn)行過幾次工程加固處理，大壩經(jīng)過幾次應(yīng)急加固處理后，短期效果比較明顯，但整個(gè)壩體變形未趨穩(wěn)定，隨時(shí)間的推移，面板裂縫重新發(fā)展，同時(shí)壩體變形經(jīng)過量的積累，進(jìn)一步牽引面板的開裂，經(jīng)過多年運(yùn)行，大壩漏水更加嚴(yán)重。1987年和2001年，東坑水庫兩次被列為“病險(xiǎn)”庫，長期以來水庫一直以限制水位的方式帶病運(yùn)行。針對(duì)水庫大壩存在的問題和水庫的重要性，需要對(duì)東坑水庫大壩進(jìn)行一次全面徹底的除險(xiǎn)加固處理。

2 面板堆石壩結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)

面板堆石壩主要承受自重和水荷載，而自重荷載引起的變形大部分在水庫蓄水前就已完成。根據(jù)一些面板堆石壩的原型觀測(cè)，面板堆石壩沉降規(guī)律為：蓄水前壩軸線以下壩體，大部分已完成總沉降量的90%以上，靠近面板附近的壩體僅完成總沉降量的25%～70%不等，愈靠近上游壩坡，蓄水后產(chǎn)生沉降的可能性愈大。原型觀測(cè)表明，在自重與水荷載的共同作用下，上游面附近的水平位移、垂直位移均比下游面附近的大，且水平位移比垂直位移大得多；除下游壩趾附近測(cè)點(diǎn)向外移動(dòng)外，絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)都是向內(nèi)移動(dòng)，由此說明大壩體積受到壓縮，并且壩體壓縮主要集中在其上游部分。經(jīng)分析，這是由于絕大部分水荷載是通過壩軸線以上壩體傳到地基中去。根據(jù)壩體不同部位的受力情況和變形性狀，壩體可填筑工程性質(zhì)不同的壩料，愈往下游的堆石體對(duì)面板變形的影響愈小，壩料的變形模量可以從上游到下游逐級(jí)減小。面板壩正是根據(jù)壩體不同部位的變形性狀和受力特點(diǎn)對(duì)壩體進(jìn)行分區(qū)，從上游至下游依次分為墊層料區(qū)、過渡料區(qū)、主堆石區(qū)和次堆石區(qū)，主堆石區(qū)是面板壩承受水荷載及其它荷載的主要支撐體，絕大部分水荷載由主堆石體傳入壩軸線上游的地基中。

3 東坑堆石壩加固技術(shù)原理

研究認(rèn)為，東坑水庫面板堆石壩在水荷載作用下雖經(jīng)二十幾年運(yùn)行，堆石體變形仍未穩(wěn)定，且變形呈跳躍式規(guī)律變化，其原因主要為原堆石體空隙率大，解決的根本辦法在于如何減輕原堆石體承受的水荷載強(qiáng)度，使之與其承受能力相適應(yīng)。根據(jù)面板堆石壩的受力變形特點(diǎn)，認(rèn)為面板堆石壩主堆石區(qū)是大壩的主要支撐體，是水荷載傳遞至壩基的主要傳力體，特別是大壩上游壩坡范圍的主堆石區(qū)，由此可以采用在原堆石體上游側(cè)增設(shè)主堆石區(qū)和新建防滲鋼筋混凝土面板的有針對(duì)性的加固處理方案。通過增設(shè)主堆石區(qū)，將水荷載大部分轉(zhuǎn)移到原壩軸線上游新建的主堆石區(qū)上，從而降低了原堆石區(qū)承受的水荷載。壩體加固剖面見圖1。

4 大壩加固有限元計(jì)算分析

為確保選定的加固方案安全可靠，確保大壩加固后應(yīng)力和變形滿足規(guī)范要求，進(jìn)行了加固面板堆石壩有限元計(jì)算分析，有限元計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。同時(shí)為優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省除險(xiǎn)加固工程投資，在確定上游新增面板堆石壩壩體斷面時(shí)，設(shè)計(jì)考慮了將原壩軸線往上游分別平移6 m、9 m和12 m三個(gè)方案進(jìn)行比較分析論證。有限元計(jì)算的主要結(jié)論如下：

（1）隨著壩軸線向上游移動(dòng)，蓄水后的壩體水平位移增量不斷減小，壩體垂直位移增量也不斷減少，壩軸線向上游移6 m、9 m和12 m三個(gè)加固方案蓄水后水平位移增量最大值分別為21 mm、16 mm和10 mm，垂直位移增量最大值分別為24 mm、19 mm和16 mm。2010年7月27日大壩實(shí)測(cè)最大沉降為18 mm，最大水平位移為18 mm，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值接近。

圖1 主壩橫斷面圖Fig.1 Cross section of the main dam

（2）壩軸線向上游移6 m加固方案，蓄水期壩體應(yīng)力水平為0.2～1.03，壩體材料抗剪強(qiáng)度略顯不足；壩軸線向上游平移9 m和12 m兩個(gè)加固方案在蓄水期壩 體 應(yīng)力水平分 別 為 0.2～0.95 和 0.2～0.92，壩體材料抗剪強(qiáng)度可以滿足要求，不會(huì)發(fā)生剪切破壞。從計(jì)算情況看，大壩加固選取壩軸線向上游移9 m方案，壩體變形、應(yīng)力水平均較為合適；選取壩軸線向上游移12 m方案斷面偏大。

圖2 計(jì)算范圍網(wǎng)格圖Fig.2 Calculation grid

5 實(shí)施效果

東坑水庫堆石壩除險(xiǎn)加固于2008年10月8日開工，2010年2月通過下閘蓄水驗(yàn)收并投入運(yùn)行。水庫蓄水后，通過大壩沉降位移監(jiān)測(cè)，大壩最大沉陷量為18 mm，最大水平位移值為18 mm，壩后量水堰測(cè)得的最大滲漏水量為1.95 L/s（庫水位360.7 m）。相比水庫除險(xiǎn)加固前最大沉陷量734 mm，最大水平位移值871 mm，最大滲漏水量724 L/s，除險(xiǎn)加固后大壩變形及大壩滲漏水量值均很小，除險(xiǎn)加固效果良好，大壩恢復(fù)了正常運(yùn)行。2010年8月20日東坑水庫除險(xiǎn)加固工程順利通過竣工驗(yàn)收。

6 經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)

東坑水庫大壩由于位移及沉降變形大且變形未趨穩(wěn)定、面板嚴(yán)重開裂、大壩嚴(yán)重漏水等安全隱患，在除險(xiǎn)加固方案設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合水庫大壩的壩型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用有針對(duì)性的除險(xiǎn)加固方案，有效遏制了大壩原堆石體的變形，加固處理效果良好。設(shè)計(jì)主要經(jīng)驗(yàn)、結(jié)論如下。

（1）根據(jù)東坑水庫大壩存在的問題和大壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用在原堆石體上游側(cè)增設(shè)主堆石區(qū)和新建鋼筋混凝土防滲面板的加固方案。通過增設(shè)主堆石區(qū)，將水荷載大部分轉(zhuǎn)移到原壩軸線上游新建的主堆石區(qū)上，從而降低原堆石區(qū)承受的水荷載。根據(jù)除險(xiǎn)加固后大壩沉降變形觀測(cè)和壩后滲漏水量觀測(cè)，大壩變形及大壩滲漏水量值均很小，說明除險(xiǎn)加固方案選擇是正確的，工程經(jīng)驗(yàn)可以在類似工程中推廣應(yīng)用。

（2）對(duì)于病險(xiǎn)堆石壩，采用在其上游側(cè)增設(shè)主堆石區(qū)和新建鋼筋混凝土防滲面板的加固方案時(shí)，為有效、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行加固處理，采用有限元計(jì)算手段進(jìn)行多方案比較分析來確定上游側(cè)最優(yōu)加固斷面是合適的，也是必要的。

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