碾壓混凝土重力壩壩體加固處理及抗滑穩(wěn)定分析

婁天翔

(浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310002)

?

碾壓混凝土重力壩壩體加固處理及抗滑穩(wěn)定分析

婁天翔

(浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310002)

層面膠結(jié)不良的碾壓混凝土重力壩存在著壩體滲漏和抗滑穩(wěn)定安全度不足兩方面的問題，因此提出了以上游防滲面板和壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿為主的壩體加固處理方案，并采用了反演方法進(jìn)行壩體抗滑穩(wěn)定分析，為同類工程壩體加固設(shè)計(jì)提供了參考。圖1幅，表3個(gè)。

碾壓混凝土重力壩；不良層面；加固；計(jì)算分析

0 引 言

早期碾壓混凝土重力壩由于在施工質(zhì)量控制上缺少經(jīng)驗(yàn)，施工質(zhì)量較差，壩體多存在膠結(jié)不良的層面。一方面這些層面有較強(qiáng)的滲透性，成為大壩滲漏的主要通道；另一方面這些層面物理力學(xué)指標(biāo)較低，壩體抗滑穩(wěn)定安全度不足。為了解決重力壩壩體滲漏和壩體抗滑穩(wěn)定安全度不足兩方面的問題，有必要對重力壩壩體加固處理及抗滑穩(wěn)定進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

某水庫工程為1座以灌溉為主，結(jié)合供水、發(fā)電、防洪等綜合利用的大型水利工程，總庫容2.23億 m3。工程于1993年4月動(dòng)工，1997年底完工，攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程196.24 m，最大壩高79 m，壩頂長390 m。2015年啟動(dòng)大壩安全鑒定，通過鉆孔取樣并結(jié)合孔內(nèi)電視攝像分析，大壩碾壓混凝土層面的質(zhì)量離散性較大，其中膠結(jié)不良的層面骨料呈松散、分離和不成型，層面基本處于脫開狀態(tài)，層面混凝土結(jié)構(gòu)均較為松散(見圖1)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，此類層面占碾壓混凝土總層面的19%～33%。壩體壓水試驗(yàn)表明壩體碾壓混凝土層面透水率較大，透水率q=10～30 Lu之間占比62%；q=30～40 Lu之間占比10%；q=40～80 Lu之間占比18%。

圖1 碾壓混凝土膠結(jié)不良層面(鉆孔取芯)

2 壩體加固處理方案

針對此水庫碾壓混凝土重力壩壩體滲漏和抗滑穩(wěn)定安全度不足兩方面的問題，需要對壩體進(jìn)行防滲加固和結(jié)構(gòu)加固處理。加固處理方案由新建上游混凝土防滲面板、壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿和下游壩面貼坡混凝土3個(gè)部分組成。新建上游混凝土防滲面板C25混凝土厚度為0.80 m，面板分縫間距為17 m，縫內(nèi)設(shè)銅片止水1道。對壩體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿，在壩軸線下游5.25、7.25、40.00 m和45.00 m處設(shè)置4排灌漿孔，孔距2.00～3.00 m，灌漿材料采用普通水泥。對下游壩面進(jìn)行貼坡混凝土處理，C20混凝土厚度為0.30 m。

新建上游防滲面板可同時(shí)達(dá)到壩體防滲加固和結(jié)構(gòu)加固的目的，壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿以大壩防滲加固為主，同時(shí)也改善了碾壓混凝土層面的物理力學(xué)性能；下游壩面貼坡混凝土具有結(jié)構(gòu)加固作用。

3 壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析

3.1 計(jì)算方法

采用抗剪斷強(qiáng)度公式和抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算重力壩碾壓混凝土層面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

式中，K1為抗剪斷強(qiáng)度穩(wěn)定安全系數(shù)；K2為抗剪強(qiáng)度穩(wěn)定安全系數(shù)；f′為抗剪斷摩擦系數(shù)；f為抗剪摩擦系數(shù)；c′為抗剪斷凝聚力；A為滑動(dòng)面的面積；ΣV為作用于滑動(dòng)面上鉛垂方向的作用力；ΣH為作用于滑動(dòng)面上水平方向的作用力；U為作用于滑動(dòng)面上的揚(yáng)壓力。

基本組合一(水庫正常蓄水位)：自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+浪壓力；基本組合二水庫水位為設(shè)計(jì)洪水位；特殊組合水庫水位為校核洪水位。

3.2 加固處理前重力壩壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析

重力壩壩體層面抗剪斷摩擦系數(shù)f′=0.70～1.0，抗剪斷凝聚力c′=0. 65～1.05 MPa；壩體層面抗剪摩擦系數(shù)f=0.63～0.75。加固處理前抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果如下所示(見表1、表2)。

表1 壩體層面抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果(抗剪斷公式)

表2 壩體層面抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果(一)(抗剪公式)

從上表可知，基本組合二為控制性的荷載組合，121.24 m層面為控制性的壩體層面，當(dāng)物理力學(xué)指標(biāo)采用最大值時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求；當(dāng)物理力學(xué)指標(biāo)采用平均值時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)略小于規(guī)范規(guī)定值；當(dāng)物理力學(xué)指標(biāo)采用最小值時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)與規(guī)范規(guī)定值有較大差距。由此可見，由于壩體層面施工質(zhì)量較差，物理力學(xué)指標(biāo)有離散型和不確定性，重力壩層面的抗滑穩(wěn)定性存在著較大的問題。

3.3 加固處理前壩體抗滑穩(wěn)定反演分析計(jì)算

通過對加固處理前壩體抗滑穩(wěn)定成果分析，由于壩體層面的物理力學(xué)指標(biāo)具有離散性和不確定性，采用地質(zhì)專業(yè)提供的物理力學(xué)指標(biāo)很難準(zhǔn)確地評價(jià)壩體層面抗滑穩(wěn)定安全度。由于重力壩存在著膠結(jié)不良的碾壓混凝土層面，壩體滲漏較嚴(yán)重，碾壓混凝土水泥用量本來就較少，較嚴(yán)重的層面滲漏水不斷地帶走水泥膠凝材料，惡化層面的物理力學(xué)性能，如果不對壩體進(jìn)行加固處理，未來重力壩壩體抗滑穩(wěn)定會達(dá)到臨界狀態(tài)。因此，為了較準(zhǔn)確地評價(jià)現(xiàn)狀壩體層面抗滑穩(wěn)定安全度，同時(shí)為加固處理后的壩體層面抗滑穩(wěn)定計(jì)算和壩體加固處理措施提供基準(zhǔn)依據(jù)，有必要進(jìn)行大壩壩體抗滑穩(wěn)定反演分析計(jì)算。采用基本組合二(控制性荷載組合)作為反演計(jì)算工況，采用121.24 m高程壩體層面(控制性壩體層面)作為代表性壩體層面，以用抗剪公式計(jì)算的壩體層面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.00作為基準(zhǔn)進(jìn)行反演分析計(jì)算，得到的壩體層面抗剪摩擦系數(shù)f=0.682。

3.4 加固處理后重力壩壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析

根據(jù)抗滑穩(wěn)定反演分析計(jì)算得到的抗剪摩擦系數(shù)f=0.682，采用抗剪公式對加固處理后各高程壩體層面進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。 壩體上游面加厚0.8 m，下游面加厚0.3 m；同時(shí)通過防滲加固，壩體滲透壓力系數(shù)α從0.35減小到0.25(見表3)。

壩體加固處理后，121.24 m高程層面的基本組合穩(wěn)定安全系數(shù)為1.08，大于規(guī)范容許的穩(wěn)定安全系數(shù)1.05，與加固處理前的穩(wěn)定安全系數(shù)1.00相比，增加幅度為8.0%，大壩壩體層面的抗滑穩(wěn)定安全度有了較大幅度的提升。

表3 壩體層面抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果(二)(抗剪公式)

4 結(jié) 語

(1) 層面膠結(jié)不良的碾壓混凝土重力壩存在著壩體滲漏和抗滑穩(wěn)定安全度不足兩方面的問題。

(2)采用新建上游混凝土防滲面板、壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿和下游貼坡混凝土，可較好地解決層面膠結(jié)不良的碾壓混凝土重力壩壩體結(jié)構(gòu)加固和防滲加固兩大問題。

(3)可采用反演法進(jìn)行層面膠結(jié)不良的碾壓混凝土重力壩加固的設(shè)計(jì)計(jì)算，即先通過反演法分析計(jì)算得到層面抗剪摩擦系數(shù)，然后再用此抗剪摩擦系數(shù)對加固設(shè)計(jì)后的壩體進(jìn)行抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算。

[1]賈 超,張啟海.水平薄弱面對混凝土重力壩安全性影響的研究[J].水力發(fā)電,2007,33(9)：23_25.

[2]姜福田.碾壓混凝土壩的層面與影響[J]．水利水電技術(shù),2008,39(2)：19_21.

[3]黃 敏.龍灘水電站碾壓混凝土重力壩應(yīng)力和穩(wěn)定分析方法[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2009(16)：190_193.

責(zé)任編輯 吳 昊

2016-10-08

婁天翔(1991-)，男，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。E_mail：346508707@qq.com