郐 君,凡胜豪

(辽宁省水利事务服务中心,沈阳 110003)

0 前 言

混凝土重力坝是水利枢纽工程中一种重要的挡水建筑物。因大坝加高等除险加固导致库水位增加会对坝体产生不同的应力影响。目前许多学者对消除混凝土坝应力做了大量研究。周天鸿对重力坝功能叠合区受力结构进行分析,采用有限元计算方法建立考虑结构整体受力的计算模型,通过计算获得受压状态结果。张娟通过Ansys三维有限元模型对泄洪洞坝段的坝体、竖井和廊道进行了应力分析。武永新采用无黏结预应力锚索设置潘家口水库加固坝体活缝,可以解决坝体内潮湿造成钢绞线锈蚀问题,同时可避免裂缝张开时的局部拉伸变形[1-3]。张雄通过建立锚索模型研究锚索张拉和二次灌浆后的应力状态,探讨坝体内部加锚的可行性。

水库的混凝土重力坝历次除险加固对坝体进行加高,将导致坝体坝踵出现拉应力影响大坝的安全。文章通过对应力消除方案进行比较,选定的预应力锚索方案,该方案对消除混凝土坝的拉应力具有较大的优势,可较好应用于工程实践中[4]。

1 项目概况

闹德海水库建成于1942年,水库总库容2.17亿m3,规模为大(2)型。目前水库的主要任务为防洪滞沙、农田灌溉以及城市工业与生活供水等。水库枢纽工程由挡水坝段、溢流坝段、排砂中底孔、消力池和输水洞等构筑物组成。

大坝为混凝土重力坝,坝顶高程194.00m,坝顶宽度5m,大坝总长167m,共11个坝段,最大坝高44.5m。大坝上游面坡比1∶0.1,下游面坡比1∶0.8。4#～8#为溢流坝段,总长75m,堰顶高程181.50m。其中,6#～8#坝段设置五个排砂底孔,孔底高程151.00m;5#坝段设置两个排砂中孔,孔底高程163m。1#～3#及9#～11#为挡水坝段。

1965年在挡水坝顶增设混凝土子埝,子埝顶宽1.0m,底宽2.05m,子埝顶高程191.0m,使大坝防洪标准达到100a一遇。1991年挡水坝顶高程加高至194.0m,溢流坝段闸墩加高加长。

2 存在的问题

在1991年第三次除险加固中,该水库防洪标准由100a一遇提高到1000a一遇,挡水坝段坝顶高程由191.00m提高到194.00m,但坝身未加厚,加固后上下游坝坡交点位于校核洪水位以下5.61m,坝前水位提高近6m,坝坡体型受力不利。 1991年加高坝体过程中,虽计算出现坝踵拉应力,但依据当时的规范SDJ21-78(试行)补充规定的要求,“重力坝的断面原则上应由基本荷载组合控制,尽量做到不由稀遇荷载控制设计断面”,因此未对此问题进行处理;坝体上游面拉应力考虑其数值较小,仍在混凝土允许拉应力范围内,且在除险加固工程中上游坝面设0.18m厚沥青混凝土防渗面板,因此也未作处理。

大坝共11个坝段,计算选取坝高较高、实测扬压力折减系数较大的5#坝段、4#坝段及9#坝段进行稳定复核,同时对5#及4#坝段分层进行强度复核,计算成果见表1。

表1 坝基稳定及应力计算成果表

表3 坝基应力计算成果表(2/3/9/10#坝段)

由计算结果可知,设计洪水位工况下,2#～4#、8#～10#坝段坝体上游面垂直应力出现拉应力,校核洪水位工况下,2#～4#、8#～10#坝段坝踵及坝体上游面均出现拉应力。

随着重力坝结构研究的不断深入以及设计规范的更新和完善,对坝踵拉应力的要求愈加严格,现行水利工程建设标准强制性条文(2020年版)对该问题要求:“坝踵及坝体上游面垂直应力不应出现拉应力”。坝踵及坝体上游面均出现拉应力,不满足规范要求,因此需对该6个坝段进行加固处理。

3 拉应力消除方案比选

从受力分析来看,坝踵及坝体上游面拉应力的主要原因是坝体断面偏小,其自重不足以抵抗坝基扬压力和上游水推力带来的不利影响。解决该问题的主要措施包括以下几种方案:

方案一:坝体上游面贴坡能够增加坝体有利荷载。传统方式为加大坝体断面,增加坝体自重,以改善坝基和坝体的应力分布。一般在大坝上游面或下游面贴坡加厚坝体,可直接、有效地解决坝踵及坝体上游面拉应力问题,其中上游面贴坡的投资较下游面贴坡相对节省。经计算,本方案需在坝体上游面水平方向加厚2.8m,上游坡比仍为1∶0.1,坝顶宽度由原来的5.0m变为7.8m,下游坡度不变。贴坡采用混凝土结构,表层设直径为12mm的钢筋网,具有压重和防渗的双重功能。混凝土与原坝体之间设置直径为25mm的锚筋,长4m,深入原坝体2m,锚筋间距为1.5m。贴坡混凝土底部嵌入基岩内,与原坝踵基底面高程平齐,通过锚筋与基岩连接。

本方案结构可靠性好,建成后运行维护方便,可从根本上解决坝踵及坝体上游面拉应力问题,并提高坝体防渗能力,利于延长工程寿命。但其缺点是施工难度大,上游坝坡作业面坡比1∶0.1,近乎直立,且需辅以凿毛和埋设锚筋等措施加强新、老混凝土的结合,施工质量是影响加固效果的关键。同时,加固施工工期约9个月,需水库长时间空库运行,对水库的供水及灌溉造成一定影响。本方案建筑工程投资约563万元。

方案二:利用预应力锚固技术增加坝体有利荷载,在坝体上游面附近新增附加集中力。坝踵和坝体上游面拉应力问题需要整体或局部大幅度提高坝体的正应力来解决。在诸多加固措施中,预应力锚固技术可以提供较大的锚固力,改善坝体稳定和应力状态,增强坝体的整体性,其布置灵活、施工方便、干扰小,不影响水库运行,且与增加大坝自身重量等其他措施相比,投资相对节省。该措施可有效解决坝踵拉应力问题,同时由于外锚头位于坝顶,锚索张拉力对坝体上游面拉应力也有改善。自20世纪50年代起,国内外多个混凝土重力坝采用了预应力锚固技术,如陕西省石泉大坝、湖南马鞍山大坝等,后期运行观测中均验证了良好的加固效果。本方案工程工期约6个月,建筑工程投资约262万元。

综上所述,本工程拟采用方案二对坝体进行加固。预应力锚索依靠锚头通过坝体和基岩内的钻孔锚入岩体内,把坝体与稳固基岩联结在一起,从而改变坝体和坝踵的应力状态。预应力锚固前后坝基应力对比发现可以彻底消除坝踵及坝体上游面的拉应力。预应力锚索方案技术简单、施工方便,在工期和投资方面均具有明显的优势,对水库正常运行影响较小[5]。

4 方案设计

本工程在2#～4#及8#～10#共6个坝段布设预应力锚索,加固坝段长度91.9m。锚索采用无黏结、拉力分散型,根部锚固在坝基岩石内,顶部端头固定于坝顶或堰顶,通过施加预应力以消除校核洪水工况下的坝踵及坝体上游面拉应力。

从一个坝段整体受力来说,消除坝踵及坝体上游面拉应力所需施加的预应力最小值为已知,则坝段所需总钢绞线根数为确定值,因此锚索布置的孔数越少,所需的钻孔长度及锚具等配套设施越少、工程投资越节省。但锚索间距过大,相邻锚索之间可能出现应力跌落,不利于结构稳定。对本工程而言,锚孔长度多在40m以上,间距过小难以控制钻进精度。因此适当选取较大的锚索间距,可有效节约工程投资、降低施工难度。参考类似工程经验,湖南省马鞍山大坝采用预应力锚索处理抗滑稳定不足问题,锚索最大吨位3000kN,锚索间距2.6～5m;石泉大坝预应力锚索加固双排布置,最大吨位8000kN,排内孔间距3m;珠窝水库曾采用预应力锚固方式对其混凝土大坝进行加固,锚索吨级为700kN,孔距为1.35m。综合分析后,本工程对于2#、3#、9#、10#坝段,采用较大的锚索间距2.6～3.0m,4#及8#坝段考虑闸墩、堰面具体位置,采用锚索间距1.5～2.8m。共布设预应力锚索35束,单束设计张拉力3900kN～4000kN,长度26～56m。

经计算,采用29根φ15.2mm钢绞线时,则一束预应力锚索最大超张拉力为4524kN,因此本工程35孔预应力锚索均采用29根φ15.2mm钢绞线,锚索孔直径240mm。预应力锚索单排布置,顶部布置在坝顶或堰面,由于廊道上游面距离坝轴线较近,为1.5m,因此廊道部位锚索钻孔向上游倾斜1°。锚索孔注浆材料采用M40水泥砂浆,水灰比0.40～0.50,锚固长度≥10m。外锚头坝顶位置凿除局部坝体深1m,锚夹具埋设于C40混凝土垫墩内,锚索张拉完成后混凝土回填至坝顶平齐。锚索内锚固段在束线环和隔离架作用下形成波纹体,注浆后形成枣核体。锚索孔注浆材料采用M40水泥砂浆,注浆采用孔底注浆法,砂浆灌注必须饱满密实。锚索自由段也采用M40水泥浆灌注。

在挡水坝段坝顶设预应力锚索,距离坝体上游面(坝轴线)1.0m。采用材料力学法计算单延米坝段受力情况,大坝挡水坝段基本为对称布置,在原计算参数条件下,施加预应力锚索集中荷载,对坝段整体进行计算,结果见表4、表5。

表4 预应力锚固前后坝基应力对比表

表5 预应力锚固前后坝体上游面垂直应力对比表

经计算可知,通过对2#～4#及8#～10#坝段坝顶施加竖向每延米1100～1800kN的预应力,可彻底消除坝踵及坝体上游面拉应力,满足规范要求。

5 结 语

文章针对闹德海水库混凝土重力坝坝体及坝踵出现拉应力,影响大坝运行安全的问题,提出坝体上游面贴坡与利用预应力锚固技术增加坝体有利荷载两种方案。经比选,最终采用预应力锚固技术,并对锚固方案进行了设计,通过方案设计与复核,采用预应力锚固后,可彻底消除坝踵及坝体上游面拉应力,满足规范要求,该方案实施工期短、投资小,可较好地解决因水库除险加固带来的类似问题,对指导类似工程实践具有借鉴意义。