Olivier Chulliat,Etienne Grimal,Emmanuel Robbe

（法国电力集团水利工程中心）

1 工程概况

Chambon大坝是一座高137 m的巨型混凝土重力坝，位于法国阿尔卑斯山海拔1 000 m的罗曼斯河上。大坝坝顶长度约300 m，坝体左岸呈弧形。Chambon大坝建于1929—1935年，水库库容为5 000万m3，电站装机116 MW，主要功能是水力发电，1946年以来电站由法国电力集团负责运营。

1958年发现了Chambon大坝受碱骨料反应影响，当时发现了无法解释的裂缝和变形。大坝中心坝段每年向下游位移1 mm，而弧形左翼每年向上游位移5 mm。坝顶每年上抬3.6 mm。溢洪道排水廊道与下游面之间出现了一条水平裂缝。下游左岸岩质坝肩渗水每年增量为3 L/min。

从那时起，进行了多次调查和实验室测试。1970年代末期，正式确认了存在碱骨料反应。其中，被认为是主因的骨料来自当地的片麻岩采石场，内含多层黑色云母片岩。

2 第一轮补强加固工程（1991—1997年）

1991年，一个成员来自业主法国电力集团、设计方Coyne et Bellier和公共事务管理局的工作小组提出了新建大坝的替代方案。由于测得的纵向压应力为2~6 MPa，初步的想法是将溢洪道与大坝分开，以消除闸门堵塞或桩体发生剪切破坏的风险。为保证补强加固作业期间的工程安全，在左岸岩质边坡内新建了一条地下溢洪道。

第二个目标是通过创新性地在大坝上部切槽来减轻膨胀应力（Chambon大坝是世界上第二座试验这一工法的大坝）。设计方Coyne et Bellier在无张力模型中应用了各向同性温升-膨胀规律，以期预测切槽对大坝膨胀的影响。大坝的定性性态得到了很好地描述，但其纵向压应力比测量值高了2~3倍。在这种情况下，模型计算得出的左岸顶部10~30年后的应力是不可接受的。切槽的作用是减小这种不可接受的应力。然而，模型显示，这种应力释放的作用不会持续超过20年，未来还需要采取其他措施。

在切槽之前，先对下游面上部发现的一条混凝土张开接缝进行灌浆（坝顶下5~20 m，长200 m，深2~3 m），见图1。这一措施是必要的，以确保被水平混凝土接缝和竖直切割分开的坝块的静态稳定性和抗震稳定性。1992年和1993年，分两季对所有裂缝进行了数次充填和灌浆封闭（0.5

1991—1997年，为消除因裂缝张开引起的大坝上部的扬压力和解决切槽防水的问题，在大坝上游面顶部40 m敷设了9 000 m2Carpi PVC密封土工膜，见图1（b）。提前在上游面喷砂浆找平。在土工膜底部嵌入了钢筋梁，采用土工格栅确保能排水并进行穿刺保护。土工膜在间距为1.85 m的垂面间张紧，排水系统分为9个独立的分区，各自进行渗漏监测。通过这种方式，可以方便地定位所有渗漏的起点。由于对坝基进行了补充灌浆，并在溢洪道趾部浇筑了混凝土壳，左坝肩渗漏由1994年的50 L/min降至1995年的22 L/min，1997年降至17 L/min。

开始切槽工程之前，原溢洪道已退役。闸门被移除，出口用4 000 m3混凝土进行了封堵，见图1（c）。

1995—1997年，进行了3次切槽：利用11 mm的金刚石线，在坝顶以下18~32 m深度范围内，1995年完成了2个槽，1996年完成了3个槽，1997年完成了3个槽，见图1（d）。切槽对大坝的主要影响为：（1）弧形部分向下游回移；（2）岸侧坝块回向坝体中心。在最后一次切槽中，3个槽没有封闭，而周围的槽和接缝张开了，这是应力释放有效的标志。

图1 1990年代进行的与碱骨料反应相关的工作Fig.1 1990's main works in relation with AAR

3 新诊断（2007—2010年）

第一次补强加固工程后的15年，切槽开合度监测结果显示顶部再次缓慢压缩，垂线监测则表明弧形的左翼再次向上游方向移动。随着这一移动，溢洪道下方的水平裂缝重新张开了。

根据这些观察，2007—2010年，对大坝进行了深入调查，其目的是对大坝工况进行诊断，并确定为保证大坝在安全状态下继续运行需要采取的下一步行动。调查包括：对坝体进行钻孔，以识别裂缝网的发展程度；通过在钻孔内进行数字钻孔记录，对混凝土和岩石界面进行仔细检查；对代表大坝不同部位的采样进行实验室膨胀试验，进行识别和特性描述；利用扁千斤顶设备现场测量廊道内部和下游面的应力。为了得到三维应力张量，还进行了原位套钻取芯试验，得到了更多压应力的相关结果。通过膨胀试验对坝基模量也进行了测量。

调查显示，在坝体上部某些高程的排水帷幕上存在着垂直裂缝体系，由此可得出结论：在地震工况下，上游某些混凝土坝段可能存在稳定性问题。这些高程上的排水帷幕和延伸的水平或垂直隔断可能已对坝段进行了预先切割。这些裂缝的存在有以下原因：（1）直径为800 mm和300 mm的竖直排水管的平均距离为3.20 m，它们可能是沿坝轴线的“预切割线”；（2）上游混凝土的水泥含量为250 kg/m3，下游混凝土的水泥含量为150 kg/m3，上下游混凝土的膨胀率不同，可能会在结合面产生剪切应力（见图2）；（3）大坝在左岸呈弧形。这些裂缝大多数是在弧形区域钻孔时观察到的，缝宽为几毫米至1 cm以上。大多数时候，不同的裂缝在坝体内部并不相连，但可能存在地震荷载作用下的不稳定块体。这些虚拟块的划分：垂直纵向方向，由垂直纵向裂缝和上游面（2.50~4.10 m）分割；垂直横向方向，由伸缩缝、切槽（5.30~16.30 m）及可能与现有排水管相连的裂缝（平均距离约3 m的奇异点）分割；水平方向上，由施工缝（2.40~2.90 m）分割。

图2 从下游面和截面视角观察的竖直排水幕Fig.2 The vertical drainage curtain seen from downstream and cross section

结构裂缝之间，混凝土展现出了良好的力学性能：抗压强度超过20 MPa，瞬时形变模数超过20 GPa。此外，左岸坝肩内石灰岩（三叠系）和火成岩（片麻岩）间的交界面未受大坝挤压影响，是闭合的，岩体质地优良（变形模量为6~14 GPa），没有像左岸坝肩内因大坝膨胀应力而形成剪切面的风险。实验室膨胀试验显示，混凝土的膨胀会以相对恒定的速率持续几十年，也不排除会逐渐放缓的可能性。本案例中采用法国电力集团开发的ASTER软件中应用的混凝土多尺度膨胀规律、碱骨料和延迟钙矾石生成结构效应建模模拟、大坝和水工建筑物中的膨胀混凝土（Code_Aster为法国电力集团自1989年起开始研发的通用结构和热力耦合有限元仿真软件，可用于力学、热学和声学等物理现象的仿真分析，以及进行上述现象的耦合仿真分析）。它能非常好地拟合大坝监测性态（见图3）。有限元计算表明，1990年代进行的切槽仍对大坝上部结构有益，通过监测弧形左翼的变形可以得到证实。

图3 三维模型模拟计算的变形与实测变形对比Fig.3 Comparison of measured and computed deformations in 3D modeling

然而，计算结果显示出了平行于坝肩的显而易见的应力，在中期有剪切岩石与大坝交界面的风险（见图4）。基于这一诊断，决定对其进行补强加固，并于2010年收到了来自大坝和水工建筑物常设技术委员会（受法国工业部委任）的批准。

图4 计算得到的大坝最大主压应力Fig.4 The maximal principal compressive stresses calculated in the dam

4 第二次加固工程（2013—2014年）

第二次补强加固的主要目的是加强大坝上部的完整性，防止上游坝块的坍塌，避免导致大坝不稳定。通过安装415根钢筋，实现对大坝上部的约束（见图5）。

图5 从下游视角看钢筋模式（深色）和排水帷幕（浅色）Fig.5 The tendons pattern and drainage curtain seen from downstream

T15型涂油脂带护套的水平线缆从上游穿过结构到下游，对其进行了预张拉，在护套外不灌浆，因为裂缝的存在可能影响补强加固工程的顺利完成。线缆间隔为3.70 m（水平）和4 m（垂直），即钢筋间的间隔面积为15 m2。所得网格适合大多数坝块最可能的尺寸，这些坝块由平行于坝轴线和上游面的垂直裂缝、平行于水流方向的垂直接缝或以前的切槽及水平方向的混凝土接缝划分而成。上游和下游的线缆头完全嵌入坝体的预留钻孔内，这些钻孔的直径为500~700 mm。通过对预留钻孔浇筑混凝土和敷设密封膜，在上游侧加强了腐蚀防护。由混凝土膨胀导致的张力逐渐增加仍然是可能的，下游线缆头设计为可调节式，为了适应可能的张力，有必要对其进行放松。

在大坝运行期间，对66根钢筋束的张力进行了监测。它们装有传感器，每个传感器包含三根振弦线，与现有的大坝远程监控系统相连，还可以随时对每个钢筋束进行原位调整。下游线缆头的设计可使其在任何情况下都能承受规定限值内的张力：（1）较低的张力限值等于地震情况下产生的拉力，以防止所有坝块移动；（2）钢筋束屈服应力的80%作为较高的张力限值（包括地震力、因混凝土膨胀引起的额外张力、钢筋和混凝土之间的热膨胀差，以及测量的不确定性）。

补强加固工程的设计寿命为50年，理论上每20年放松钢筋束1次（代表着最长钢筋束的理论伸长值为24 mm）。张力设计中的应力来自：

（1）地震产生的拉力：水平加速度（地面峰值加速度0.18g）在坝顶处达到最大值，放大约7倍；

（2）混凝土的进一步膨胀，假设各向同性膨胀速率为每年50μm/m。

应用的预应力钢筋束类型包括位于下部的3T15（长度24 m，369 kN≤T≤595 kN）、位于上部的7T15（长度5 m,1 060 kN≤T≤1 388 kN），以及局部使用的10T15。为预应力钢筋钻设的4 180 m长的钻孔从上游取芯，挠度公差为1%。为了绘制裂缝网络，并在三维数字模型中表示出来，对裂缝进行了系统的数字化钻孔检查。

除钢筋束外，在上游面上还设置了碳纤维合成网。该网由6 000 m碳纤维带粘合而成。这些20~30 cm宽的碳纤维带沿垂直、水平和对角线连接钢筋接头（见图6）。

图6 上游视角的碳纤维网Fig.6 The carbon fiber net seen from upstream

碳纤维网的作用是对较小块体进行约束，钢筋束可能对这些较小块体不起作用。带状的复合材料（环氧树脂粘合碳纤维条）可将1~8层材料粘合在一起，粘贴在之前喷过砂浆的表面，以形成“链状缝”，可承受因地震和混凝土进一步膨胀形成的拉应力。经实验室测试后设计的锚固装置将伸入到上游预留钻孔内，连接碳纤维带与钢筋上游接头（见图7）。它由固定碳纤维带的上游板和将力传递到钢筋接头的下游板组成，由8根锚杆连接（根据需要传递的应力大小选用M24~M40型号）。碳纤维带在水流区是连续的，锚固装置位于补强加固区外围，碳纤维带缠绕在锚固装置上。

图7 碳纤维网锚固装置Fig.7 Carbon fiber net anchoring device

碳纤维复合材料是土木工程中的一种常用材料，但其作为抗震网的应用具有相对创新性，要求在实验室进行质量鉴定测试。该测试装置由10块混凝土块组成，模拟钢筋接头被缠绕包裹，并确定平均网格尺寸为3.7 m×4.0 m，在遇到不同构型时，测试复合带采用两两连接的方式。试验中施加一个垂直于碳纤维带的力。试验得到的抵抗力值随后被纳入整个设计，并被考虑到计算模型中，以确定每条带所需的层数。

利用数值模型确定通过金刚石线切槽的新一轮补强加固工程，以避免结构上部再次受压，同时使平行于坝肩的应力线路上的应力得到缓解（见图8）。

图8 新一轮补强加固工程中的切槽设计Fig.8 The design of the new campaign of slot cutting

切槽基本重复1990年代的开槽轨迹，但有以下几处不同：

（1）位于大坝中部的S3切槽没有再切一次，因为在之前的补强加固中，有线缆卡在里面了。

（2）S3两侧的切槽（S2和S4）都被加深到42 m，每个切槽面积增加为650 m2，弥补S3没有再次切槽的影响，但主要是为了提高混凝土和岩石交界面的应力折减效率。

（3）金刚石线宽16 mm（以前是11 mm），充分利用自1990年代以来的技术进步，并避免在之前未完全封闭的切槽中被轧住的风险。

（4）切槽技术的进步大大提高了现在的切槽速度，2台设备在6个月内完成了2 500 m2切槽。

补强加固工程竣工4年后，才能评估切槽对大坝性态的影响。在大坝上部，其作用与第一次补强加固后的观察结果非常相似：弧形区域再次向上游移动，中部和右岸则向下游加速变形，原施工缝和切槽重新张开，侧面坝体向大坝中心靠拢。在坝体下部，补强加固工程后，侧面坝体向大坝中心的再次位移明显增大，证实了S2和S4的加深对减小沿坝肩应力的有效性。

关于补强加固工程的施工条件，有几个主要的现场约束条件制约了工程的流程和进度：（1）坝顶有一条重要的公路，海拔高度超过1 000 m；（2）工程位于环境敏感区；（3）水力发电厂还在持续运营；（4）时间紧，且不同工种之间有许多交界面。

在大坝上游面和下游面跟工程相关的区域都搭设了脚手架，因此可以方便地到达施工地点，架板总长度超过8 000 m。2台75 m的变幅塔式起重机是主要的起重设备，在工地上搬运重达3 t的货物。

补强加固工程于2013年1月开工，2014年12月完工。冬季水库入库流量低，因为河流水情主要取决于春天的融雪。第一个冬天，拆除了现有的8 700 m2的上游密封膜。第二个冬天则处理了较低的部位，通过利用库水位自然的季节性下降，减少了发电量损失。

在大坝补强加固和重新鉴定期间，库水位降低了30 m。在补强加固工程的最低点以下，还保留了可容纳重现期10年洪水的防洪库容。

新的防水膜与1995年完成的防水膜相同，只有一些小的修改和改进。它由间隔1.85 m的垂直装置拉紧、排水，并分成12个独立的分区。之前的土工膜在使用了近20年后仍保持着良好的性能，并且大部分的不锈钢部件都可以重复利用。

补强加固工程的参与方包括法国布依格集团VSL公司（钢筋、碳纤维、土木工程和设施）、意大利Marietta spa公司（切槽）和瑞士Carpi Tech BV公司（密封膜）。

5 结语

2013年1月—2014年12月，历时2年进行了切槽、钢筋束和碳纤维带的安装、防水系统的拆除和重新安装等工作。完美的规划及不同工种间的密切协调取得了良好的效果，法国电力集团和各个承包商之间的良好合作保证了补强加固工程在期限内顺利完成。

由于水库上方山体滑坡，蓄水推迟了1年。2016年春季，成功进行了水库蓄水。扩展的监测系统能精确跟踪大坝性态，并确认切槽的作用符合模型预测。以后将继续进行定期诊断，以确保大坝运行在最佳安全条件下。