寬闊河谷上的拱壩加固方案

［俄羅斯］G.M.卡加諾夫 等

1 概述

開(kāi)發(fā)一套可加固大壩的工程措施，如在不用完全放空水庫(kù)的情況下進(jìn)行大壩加固，對(duì)于頻繁出現(xiàn)安全問(wèn)題的大型混凝土壩來(lái)說(shuō)是大有用場(chǎng)的。

結(jié)構(gòu)復(fù)雜的簿型拱壩加固時(shí)會(huì)出現(xiàn)緊急情況，其承載能力和應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)與河床的特性密切相關(guān)，再加上壩體的裂縫，可能會(huì)對(duì)其強(qiáng)度和穩(wěn)定性帶來(lái)明顯的影響。另外還應(yīng)指出的是，拱壩的特性為上游面一般不出現(xiàn)拉應(yīng)力。因此在大壩服役初期，加固這類(lèi)壩的工程措施，最主要的就是增大上游面的垂直壓應(yīng)力，這樣，當(dāng)出現(xiàn)水平裂縫時(shí)，就能使這些裂縫不致張開(kāi)，甚至擴(kuò)散到尾水渠部位。

令人遺憾的是，還沒(méi)有一種系統(tǒng)性的、切實(shí)可行的綜合性研究成果來(lái)評(píng)估各種加固工程措施的有效性，及其對(duì)拱壩應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)和承載能力的影響。這種特殊的系統(tǒng)性研究，在初步研究或研究論證階段，必需采集必要的相關(guān)信息，如各種型式的加固措施對(duì)拱壩應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)和承載能力的影響等等。在本文的研究中，已收集到某些大壩服役期的有關(guān)資料，如對(duì)英古力(Inguri I)壩，凱爾恩布雷恩(Kelnbrain)壩實(shí)施某種加固方案的物理模型研究資料。提出了適用于拱壩的單種加固方案(圖1)，以及拱壩施工期封拱灌漿溫度的優(yōu)化方案。

2 所開(kāi)展的研究

列出了以下研究項(xiàng)目:

圖1 某拱壩加固方案

(1)審查與拱壩可能的加固方案有關(guān)的單項(xiàng)工程措施，逐項(xiàng)評(píng)估每種措施的作用，及其對(duì)拱壩應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)的綜合影響，進(jìn)而采取加大懸臂梁壓應(yīng)力的措施。

(2)審查各項(xiàng)工程措施，并評(píng)估每種措施對(duì)拱壩應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)的影響，調(diào)整由于下游面需將循環(huán)空氣加熱到所需溫度(下游面設(shè)有一個(gè)專(zhuān)用護(hù)罩)所導(dǎo)致的溫度變化引起的應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)的變化。

建議采用監(jiān)測(cè)儀對(duì)一系列的拱壩，例如薩彥舒申斯克壩、英古力壩、奇爾克伊(Chirkey)壩等進(jìn)行一定范圍的監(jiān)測(cè)。也可研究制定一些生態(tài)學(xué)家經(jīng)常提到的可能的氣候變化情形下所必需的加固措施。

研究主要針對(duì)建在寬闊河谷壩址的拱壩，提出了一種拱壩的加固方案。在各種不同的加固方案中，使用接觸單元進(jìn)行模擬，先分析大壩裂縫的開(kāi)裂情形，然后用模型模擬高程50 m一帶大壩的裂縫情況。分析過(guò)程中，考慮了以下荷載和影響因素:大壩自重、靜水壓力、反濾層、重力壓力，以及上下游側(cè)的溫度變化等等。圖2為整個(gè)大壩－壩基示意圖。

圖2 大壩－壩基示意

計(jì)算采用瑞士Z－Soil軟件包。先建3D模型，運(yùn)用Z－Soil軟件包，將大壩模型劃分為2 100個(gè)8節(jié)點(diǎn)單元。隨后再進(jìn)行壩基部分的劃分(劃分為9 800個(gè)8節(jié)點(diǎn)單元)，并將設(shè)計(jì)荷載和周邊節(jié)點(diǎn)位移的邊界條件進(jìn)行分配。

下面列出了對(duì)建在寬闊河谷壩址的拱壩進(jìn)行加固的單項(xiàng)工程措施，并對(duì)壩體應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)的影響作出了相應(yīng)的評(píng)估。

(1)壩頂加固(上下游面的兩側(cè));

(2)拱下游面加固;

(3)大壩下游面左岸斷面的加固;

(4)下游側(cè)兩推力端的加固(上游側(cè)也有可能存在類(lèi)似的情況)。該研究中，加固選在出現(xiàn)最大值的一側(cè);

(5)解除上述措施的互相影響(除拱的推力端以外)。

在許多情況下，通過(guò)采取諸如增大拱壩壩頂和兩推力端的剛度這類(lèi)措施，即使應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)沒(méi)有明顯的改善，也能提高拱壩的承載能力。

應(yīng)當(dāng)提醒的是，采用多種其他工程措施以及簿壁張拉結(jié)構(gòu) ，包括出現(xiàn)有裂縫壩的加固(如豐塔納(Fontana)壩及其他壩)，均應(yīng)可行。圖3和圖4為加固拱壩所采用的工程措施及其結(jié)構(gòu)凈空尺寸示意。

圖3 凈空尺寸(單位:m)

圖4 拱壩兩推力端的加固(俯視圖)

作為工程措施的一部分，應(yīng)對(duì)溫度變化對(duì)大壩應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)的影響，尤其是對(duì)上游面應(yīng)力變化的影響進(jìn)行評(píng)估。圖5示出了拱冠梁的應(yīng)力分布情況。

圖5 拱冠梁的應(yīng)力分布

分析這些研究成果，有可能估算出單項(xiàng)工程措施對(duì)拱冠梁上游面應(yīng)力改善所起的作用。分析表明，這些措施相當(dāng)有效，上游面增大的壓應(yīng)力如下:

(1)在高程0.0 m，壓應(yīng)力從0.05 MPa增大到1.55 MPa;

(2)在高程50.0 m，壓應(yīng)力從0.03 MPa增大到0.73 MPa。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)考慮到施工和維修期間混凝土壩可能受到的損壞，如裂縫或施工縫開(kāi)裂等等，最好制定出經(jīng)應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)分析和研究后的各種工程措施和解決方案，備今后維修時(shí)采用。

(2)制定的上述工程措施和方案，主要是針對(duì)拱壩的，對(duì)于這些措施，目前既沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，也沒(méi)有對(duì)其有效性進(jìn)行評(píng)估，尚未形成整套分析成果。

(3)研究表明，采取各種工程措施后，拱壩上游面拱冠梁的壓應(yīng)力可能會(huì)增大，在本文的研究中，采取各種綜合性工程措施后，壓應(yīng)力總計(jì)增大到1.55 MPa。在很多情況下，實(shí)際上是都能取得這種效果。

(4)研究表明，僅將大壩下游面加熱，升高溫度1℃和 23℃，上游面的壓應(yīng)力就會(huì)分別增大0.07 MPa和1.5 MPa。

(5)今后應(yīng)開(kāi)發(fā)出系統(tǒng)性研究程序，基于累積的研究成果，采取最新的工程措施加固服役中的拱壩，研究應(yīng)不僅是針對(duì)開(kāi)闊河谷壩址的拱壩，還應(yīng)有更多的拓展。

(6)有必要開(kāi)展類(lèi)似的研究，以可對(duì)不僅能改善壩體的應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)，而且還能提高其承載能力的工程措施進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估中還應(yīng)考慮地震效應(yīng)。