增加重力壩穩(wěn)定性的措施

張彩軍

(黑龍江省共青農(nóng)場，黑龍江蘿北 154213)

增加重力壩穩(wěn)定性的措施

張彩軍

(黑龍江省共青農(nóng)場，黑龍江蘿北 154213)

重力壩是用混凝土或漿砌石修筑的大體積擋水建筑物，其主要特點是依靠自重來維持壩身的穩(wěn)定。重力壩必須保證在各種外力組合的作用下，有足夠的抗滑穩(wěn)定性，抗滑穩(wěn)定性不足是重力壩最危險的病害情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)壩體存在抗滑穩(wěn)定性不足，或已產(chǎn)生初步滑動跡象時，必須詳細查找和分析壩體抗滑穩(wěn)定性不足的原因，提出妥善措施，及時處理。

重力壩穩(wěn)定性;滑動跡象;摩擦力;增大安全;系數(shù);減少揚壓力;加強防滲

1 重力壩抗滑穩(wěn)定性不足的主要原因

根據(jù)對重力壩病害和失事情況的調(diào)查分析，壩體抗滑穩(wěn)定性不足，主要是由于重力壩在勘測、設(shè)計、施工和運用管理中存在的如下問題造成的:

1)在勘測工作中，由于對壩基地質(zhì)條件缺乏全面了解，特別是忽略了地基中存在的軟弱夾層，往往因為采用了過高的摩擦系數(shù)而造成抗滑穩(wěn)定性不足。

2)設(shè)計的壩體斷面過于單薄，自重不夠，或壩體上游面產(chǎn)生了拉應(yīng)力，揚壓力加大，使壩體穩(wěn)定性不夠。

3)施工質(zhì)量較差，基礎(chǔ)處理不徹底，使實際的摩擦系數(shù)值達不到設(shè)計要求，而壩底滲透壓力又超過設(shè)計計算數(shù)值，造成不穩(wěn)定。

4)由于管理運用不善，造成庫水位較多地超過設(shè)計最高水位，增大了壩體所受的水平推力或排水設(shè)施失效，增加了滲透壓力，均會減小壩體的抗滑穩(wěn)定性。

2 增加重力壩抗滑穩(wěn)定性的主要措施

重力壩承受強大的上游水壓力和泥沙壓力等水平荷載，如果某一截面的抗剪能力不足以抵抗該截面以上壩體承受的水平荷載時，便可能產(chǎn)生沿此截面的滑動。由于一般情況下壩體與地基接觸面的結(jié)合較差，因此，滑動往往是沿壩體與地基的接觸面發(fā)生的。所以，重力壩的抗滑穩(wěn)定分析，主要是核算壩底面的抗滑穩(wěn)定性。壩底面的抗滑穩(wěn)定性與壩體的受力有關(guān)，重力壩所受的主要外力有:垂直向下的壩體自重;垂直向上的壩基揚壓力;水平推力和壩體沿地基接觸面的摩擦力等。如圖1所示。

摩擦力F的大小，決定于壩體重力與壩基揚壓力之差和壩體與壩基之間的摩擦系數(shù)f的乘積。壩體的抗滑穩(wěn)定性，可用式1表示:

式中:ΣP為水平推力，包括水壓力、風(fēng)浪壓力、泥沙壓力等;ΣG為垂直向下的壩體、水、泥沙的重力;u為垂直向上的壩基揚壓力;f為抗剪摩擦系數(shù);K為安全系數(shù)。

由式(1)可知，增加壩體的抗滑穩(wěn)定，也就是增大安全系數(shù)，其途徑有:減少揚壓力，增加壩體重力，增加摩擦系數(shù)和減少水平推力等。現(xiàn)將具體措施分述如下。

2.1 減少揚壓力

揚壓力對壩體的抗滑穩(wěn)定性有極大的影響，減少揚壓力是增加壩體抗滑穩(wěn)定性的主要方法之一，特別是當(dāng)觀測中發(fā)現(xiàn)實測揚壓力增大成為壩體抗滑穩(wěn)定性不足的主要原因時，更是如此。通常減少揚壓力的方法有兩種:①加強防滲;②加強排水。

2.1.1 加強防滲

加強壩基防滲，可采用補強帳幕灌漿或補做帷幕措施，對減少揚壓力的效果非常顯著。灌漿可在壩體灌漿廊道中進行，如圖2(a)所示。當(dāng)沒有灌漿廊道時，可從壩頂上游側(cè)鉆孔，穿過壩身，深入基巖進行灌漿，如圖2(b)所示。當(dāng)既無灌漿廊道，從壩頂鉆孔灌漿又困難，又不能放空水庫時，也可以采用深水鉆孔灌漿，如圖2(c)所示。

圖1 補強帷幕灌漿進行方式

2.1.2 加強排水

為減少揚壓力，除在壩基上游，部分進行補強帷幕灌漿以外，還應(yīng)在帷幕下游部分設(shè)置排水系統(tǒng)，增加排水能力。二者配合使用，更能保證壩體的抗滑穩(wěn)定性。

排水系統(tǒng)的主要形式是排水孔，排水孔的排水效果與孔距、孔徑和孔深有關(guān)，常用的孔距為2～3 m，孔徑為15～20 cm，孔深為0.4～0.6倍的帷幕深度。原排水孔過淺或孔距過大的，應(yīng)進行加深或加密補孔，以增加導(dǎo)滲能力。如原有的排水孔受泥沙等物堵塞時，可采用高壓氣水沖孔或用鉆機清掃以恢復(fù)其排水能力。

2.2 增加壩體重力

重力壩的壩體穩(wěn)定，主要靠壩體的重力平衡水壓力，所以，增加壩體的重力是增加抗滑穩(wěn)定的有效措施之一。增加壩體重量可采用加大壩體斷面或預(yù)應(yīng)力錨固等方法。

2.2.1加大壩體斷面

加大壩體斷面可從壩的上游面改從壩的下游面進行。從上游面增加斷面時，既可增加壩體重力，又可增加垂直水重，同時還可改善防滲條件，但需放空水庫或降低庫水位修筑圍堰擋水才能施工，如圖3(a)所示。從壩的下游面增大斷面，如圖2(b)所示，施工比較方便，但也應(yīng)適當(dāng)降低庫水位進行施工，這樣，有利于減少上游壩面拉應(yīng)力。壩體斷面增加部分的尺寸，應(yīng)通過穩(wěn)定計算確定，施工時還應(yīng)注意新舊壩體之間結(jié)合緊密。

2.3 預(yù)應(yīng)力錨固

預(yù)應(yīng)力錨固是從壩頂鉆孔到壩基，孔內(nèi)放置鋼索，錨索一端錨入基巖中，在壩頂另一端施加很大的拉力，使鋼索受拉、壩體受壓，從而增加壩體抗滑穩(wěn)定。

圖2 增加壩體斷面的方式

用預(yù)應(yīng)力錨固來提高壩體抗滑穩(wěn)定性，效果良好，但具有施工工藝復(fù)雜等缺點。且預(yù)應(yīng)力可因錨索松弛而受到損失。對于空腹重力壩或大頭壩等壩型，也可采用腹內(nèi)填石加重，不必加大壩體斷面。

2.4 增加摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)大小與壩體和地基的連接形式及清基深度有關(guān)。對于原壩體與地基的結(jié)合，只能通過固結(jié)灌漿的措施加以改善，從而提高壩體的抗滑穩(wěn)定性，除此之外，通過固結(jié)灌漿還能增強基巖的整體性和其彈性模數(shù)，增加地基的承載能力，減少不均勻沉陷。

固結(jié)灌漿孔的深度，在上游部分壩基中，由于壩基可能產(chǎn)生拉應(yīng)力，要求基巖有較高的整體性，故對鉆孔要求較深，約8～12 m。在壩基的下游部分，應(yīng)力較集中，也要求較深的固結(jié)灌漿孔，孔深也為8～12 m，其余部分可采用5～8 m的淺孔。

2.5 減小水平推力

減小水平推力可采用控制水庫運用和在壩體下游面加支撐等方法。

2.5.1 控制水庫運用

控制水庫運用主要用于病險水庫度汛或水庫設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低等情況。對病險庫來講，通過降低汛前調(diào)洪起始水位，可減小庫水對壩的水平推力。對設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低的水庫，通過改建溢洪道，加大泄洪能力，控制水庫水位，也可達到保持壩體穩(wěn)定的作用。

2.5.2 壩體下游面加支撐

壩體下游面加支撐，可使壩體上游的水平推力通過支撐傳到地基上，從而減少壩體所受的水平推力，又可增加壩體重力。支撐的形式如圖3所示，可根據(jù)建筑物的形式和地質(zhì)地形條件加以選用。圖3(a)是在溢流壩下游護坦鉆孔設(shè)樁，通過樁將部分水平推力傳到河床基巖上;圖3(b)是非溢流壩的重力墻支撐;圖3(c)是鋼筋混凝土水平拱支撐。

圖3 下游面加支撐的形式示意圖

總之，采用何種抗滑穩(wěn)定的措施要因地制宜，補強灌漿和加大壩體斷面是經(jīng)常采用的兩種有效措施，有些情況也可采用綜合性措施。

［1］ 任旭華，夏頌佑，張世強.碾壓混凝土重力壩失穩(wěn)破壞機理初探［J］.河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1997(01).

［2］ 任旭華.碾壓混凝土重力壩的安全評價方法和安全標(biāo)準(zhǔn)的研究［J］.河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1998(04).

［3］ 賴國偉，陸述遠，常曉林，黃勁松.高碾壓混凝土重力壩的失穩(wěn)破壞機理和極限承載能力分析［J］.水力發(fā)電，2000(12).

TV64

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1007－7596(2011)05－0055－03

2011－01－25

張彩軍(1972－)，男，山東文登人，工程師。