水打桥除险加固工程加厚拱坝工作性态分析

王 敬 静(贵州省黔南州水利水电勘测设计院，贵州 都匀 558000)

0 前 言

水打桥水库属小(1)型水库，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物为4级，工程枢纽设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为200年一遇。大坝坝型为浆砌石双曲拱坝，坝顶弧长为93.5 m，坝顶宽为1.91 m，坝底宽为4.0 m，最大坝高为27.5 m；溢流段位于拱坝中部，净宽为23.5 m，消能方式为挑板跌流消能。

水打桥水库大坝于1973年动工兴建，期间多次停工复建，至1984年完工投入蓄水运行。运行中坝基、坝肩一直存在不同程度的渗漏，现坝体出现射流，两坝肩分别出现两条贯穿性裂缝，逐年明显扩大，汛期水位上升时，下游面可见裂缝渗漏迹象。由于坝身较薄，宣泄洪水时人站在坝顶能感觉坝身较明显震动。2010年，该水库进行除险加固设计，经过多种方案的比选，最终选定了上游变厚拱端加厚方案。坝体上游面加厚0.3 m厚C15混凝土预制块，后接底厚0.8 m、顶厚0.5 m的C15混凝土防渗墙，防渗墙防渗等级为W4，防冻等级为F50，防渗墙后为C15混凝土砌毛石。图 1为加厚后的大坝拱冠梁剖面，图1中C15混凝土砌毛石的下游面即为新老坝体结合面。

由于工程多次停工复建，坝体砌筑材料比较复杂，传统的多拱梁法难以深入分析。本文采用三维有限元分析方法，真实模拟坝体材料分区，对除险加固后大坝在竣工期、正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位四种工况下的应力变形状况进行计算，分析新老坝体结合面的结合状况，对加厚后拱坝的整体工作性态作出评价，并根据计算结果提出加强新老坝体结合的工程措施。

图1 大坝加厚设计剖面图(单位：m)

1 计算模型

1.1 有限元模型

有限元模型的范围为：横河向取坝顶以外50 m，顺河向取坝底向上游50 m，向下游70 m。整个计算范围内，对侧边界施加法向约束，底边界施加全约束。坝体模型中考虑溢流表孔开口，根据实际坝体材料分区。采用8节点6面体等参单元对坝体及基础进行有限元离散。三维有限元整体网格及坝体细部模型如图 2。单元总数共计32 867个，其中坝体单元3 864个；节点总数共计37 973个。

图2 有限元模型网格图

1.2 荷载组合

按照《砌石坝设计规范》(SL25-2006)的规定，选取的荷载组合见表1，在各计算工况中考虑的荷载有坝基初始应力、坝体自重、坝面水荷载及坝体扬压力、泥沙压力、浪压力与坝体的温度荷载。其中坝基初始地应力场由坝基岩体自重产生，坝踵处的扬压力水头为H1(上游水深)排水孔中心线处为H2+α(H1-H2)，坝趾处为H2(下游水深)，其间以直线连接，折减系数 采用0.6。泥沙压力计算中泥沙淤积高程876.55 m，泥沙浮容重取8 kN/ m ，内摩擦角12°。温度荷载按规范计算，主要参数见文献[1]。

表1 荷载组合表

1.3 计算参数

在对大坝应力变形计算中，坝体及坝基均采用线弹性本构模型，在对大坝-坝基进行整体稳定计算时坝肩岩体采用摩尔库伦弹塑性模型，具体计算参数如表2所示。

表2 计算参数

2 拱坝工作性态分析

2.1 坝体变形分析

竣工期坝体变形很小，蓄水后大坝的整体变形趋势均是整体向下游变形，坝顶部的变形相对较大，向坝肩和坝底逐渐减小。在正常蓄水位温降工况，水荷载和温度荷载均使坝体向下游变形，故相对温升工况其坝体变形量值最大，顺河向变形极值为8.0 mm，出现在溢流堰顶拱冠部位上游侧。在设计洪水位工况和校核洪水位工况，由于叠加温升荷载，坝体变形量值较小，向下游变形的极值仅为2.0 mm左右。

2.2 坝体应力分析

加厚施工后，在竣工期，坝体应力水平较低，主要表现为压应力。蓄水后正常蓄水位温降工况是坝体拉应力的控制工况，上、下游坝面的第一、第三主应力分布情况见图3与图4所示。可知上游坝面第一主应力主要表现为压应力，受拉区域主要分布在左右两坝肩区域及坝踵，坝顶两拱端附近和坝踵拉应力值较大，这由于老坝坝体上部和防渗墙材料均为C15混凝土，与相近的坝体材料C15混凝土砌毛石、M8砂浆砌毛石刚度差异较大而存在约束作用，导致上游面最大拉应力值达1.47 MPa，出现在坝顶右拱端。上游坝面第三主应力主要为压应力，压应力值在坝体中上部较大，向四周逐渐减小。在下游坝面，坝体上部的891.6～895.76 m高程拱端附近拉应力区仍很明显，最大拉应力值达1.48 MPa，出现在894.4 m高程右拱端。第三主应力除坝顶拱端外全部为压应力，坝体中部和895.76 m高程以上区域压应力值较小，坝趾拱冠部位压应力值较大，梁的作用较为明显。

图3 上游坝面正常蓄水位温降工况主应力分布(单位：MPa)

图4 下游坝面(老坝)正常蓄水位温降工况主应力分布(单位：MPa)

设计洪水位温升及校核洪水位温升工况，由于温升荷载抵消了一部分水荷载作用，坝体拉应力很小， 图5给出了设计洪水温升工况的上、下游坝面主应力矢量的分布情况，由图可知坝体主要表现为压应力，在老坝的上部，同样由于材料刚度的差异，该部位压应力水平相对较高。设计洪水位温升工况，坝体最大主压应力为-1.90 MPa，校核洪水位温升工况坝体最大主压应力为-1.98 MPa，两者均出现在上游坝面891.6 m高程拱冠部位。

图5 设计洪水位温升工况主应力矢量图

总之，在各工况下，坝体应力均符合设计规范要求，最大主拉应力值出现在正常蓄水位温降工况，为1.48 MPa，小于规范要求的1.50 MPa；最大主压应力值出现在校核洪水位工况，为1.98 MPa，远小于规范要求的容许压应力值。

2.3 新老坝体结合面分析

新老坝体结合情况直接影响到加厚后坝体的整体工作性态，因此考察结合面的接触状况。考虑到结合面可以承担一定拉应力等因素，将结合面法向拉应力大于0.1 MPa的区域定义为可能脱开区。

根据计算结果，竣工期、设计洪水位工况和校核洪水位工况下新老坝体接合面法向最大拉应力值均小于0.1 MPa，可认为在这些工况下新老坝体不存在脱开区。在正常蓄水位工况下，新老坝体之间在890 m高程至坝顶两侧拱端附近(距左右拱端约3 m区域)法向拉应力大于0.1 MPa，如图6，结合面拱切向剪应力分布如图7。可知老坝上部C15混凝土区域，由于存在一定的变形不协调，该部位剪应力水平相对较大，法向也存在脱开可能。考虑在实际工程施工中，结合面一般铺有砂浆并插有锚筋，还经过灌浆处理，因此在保证措施实施质量的情况下，局部法向拉应力及剪应力应当不会对新老坝体良好结合造成影响。

图6 结合面可能脱开区 (白色表示未脱开，灰色为可能脱开区)

图7 结合面拱切向剪应力 (单位：MPa)

2.4 拱坝-坝基整体稳定

采用综合法[2]对拱坝-坝基在正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位3个工况下进行了整体稳定分析，分析方法为先降低坝肩坝基岩体抗剪断强度的50%，然后在此基础上超载直到破坏。综合法既考虑了坝体可能出现的超载情况，又考虑了运行期坝肩坝基岩体强度有可能降低的情况，更加符合实际。综合安全系数为超载安全系数与强度储备系数的乘积，最后的综合安全系数考虑计算收敛性、屈服区的贯通情况、以及坝肩特征点变形关系曲线的拐点综合确定。下表为各工况的整体稳定安全系数，由表可知，在各种工况下，大坝整体稳定安全系数均在5.0以上，不存在失稳问题。

表3 整体稳定安全系数

3 工程措施

针对以上计算成果，提出在水打桥除险加固工程中采取以下施工处理措施以保证新老坝体结合。

(1)老坝面凿毛、铺砂浆：对老坝体上游面进行表面人工凿除，凿毛深度不小于2 cm，废渣清除后，将凿毛面上的碎屑和灰尘冲洗干净，保持湿润，然后铺1.5～2 cm 的砂浆再浇筑新坝体。

(2)结合面锚筋：在新老坝体结合面上，钻孔埋设锚筋，锚筋采用Φ20螺纹钢筋，锚筋按间距1.0 m呈梅花状布置，伸入老坝体内不少于1.5 m，伸入新坝体内不少于1.0 m。

(3)接缝灌浆：新老坝体接触面埋设灌浆管，待坝体砌筑完成，达到稳定温度场后进行新老坝体之间的接触灌浆。

水打桥除险加固工程于2010年4月15日正式开工，2011年4月10日完工，同年4月26日进行下闸蓄水，完工至今每年汛期都宣泄洪水，大坝运行正常。

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[1] SL25-2006，砌石坝设计规范[S].

[2] 李朝国. 结构模型破坏试验新方法及其安全度评价的研究[J]. 四川水力发电, 1995,(4):88-93,100.