水電工程中的混凝土置換加固效應(yīng)研究綜述

鞠智敏 費海燕

（中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司， 湖南 長沙 410014）

水電工程中的混凝土置換加固效應(yīng)研究綜述

鞠智敏 費海燕

（中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司， 湖南 長沙 410014）

多年的工程實踐證明對于受軟弱結(jié)構(gòu)面控制的邊坡或壩基巖體的滑動破壞問題，混凝土置換洞是一種合理有效的加固方式，其能有效地從局部改變壩基和滑坡體的受力平衡，阻止壩基和滑坡體變形的延展。混凝土置換洞加固的研究重點不斷深入，研究范圍不斷拓寬，使得其在工程應(yīng)用的安全穩(wěn)定性得到了極大的保障。為此，對混凝土置換洞加固在水利水電工程中的應(yīng)用和研究進(jìn)行總結(jié)，并針對應(yīng)用和研究中存在的不足以及值得進(jìn)一步深入研究的若干內(nèi)容進(jìn)行闡述，為今后的工程應(yīng)用和研究提供參考。

混凝土置換；加固效應(yīng)；研究進(jìn)展；壩基；邊坡

1 引言

在復(fù)雜水利水電工程實踐中，不良地質(zhì)條件帶來的壩基和邊坡穩(wěn)定性問題十分突出。首先是修建在巖基上的混凝土壩，其壩址由于經(jīng)受長期的地質(zhì)作用，通常壩址處都會有構(gòu)造斷裂和軟弱破碎帶的存在；其次是位于高山峽谷中的水電工程，普遍存在巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定問題，巖質(zhì)邊坡異于一般土質(zhì)邊坡，其特點是巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，斷層、節(jié)理和裂隙互相切割，塊體極不規(guī)則，且也存在含有軟弱巖層或夾有粘土和其它泥質(zhì)充填物而形成的軟弱結(jié)構(gòu)面。這些構(gòu)造斷裂及軟弱破碎帶的存在，給工程的設(shè)計、施工和安全帶來諸多不利影響。例如存在于壩基和巖坡內(nèi)的軟弱結(jié)構(gòu)面，由于巖層厚度較薄、巖性軟弱，變形模量低且遇水易軟化或泥化，使其強度大大降低。大壩修筑在具有構(gòu)造帶的壩址后，必然會產(chǎn)生不均勻沉陷和應(yīng)力分布，形成壩體局部應(yīng)力惡化甚至開裂和破壞；構(gòu)造帶的抗剪指標(biāo)低，易形成滑移通道，破碎帶的滲透系數(shù)較大，也易成為透水通道。

以上說明有必要正確處理水利水電工程中壩基和邊坡的構(gòu)造斷裂和軟弱破碎帶，防止其失穩(wěn)給工程造成損失。目前處理的主要工程措施有：挖出回填混凝土設(shè)置混凝土洞、混凝土齒墻、混凝土樁、傳力柱、預(yù)應(yīng)力錨，并結(jié)合固結(jié)灌漿、設(shè)置防滲帷幕和排水措施。修建在巖基上的混凝土壩，對地基中的軟弱巖層帶來說，如果僅分布于地表，可采用挖除的辦法，但對于呈條帶狀分布，且較深的軟弱破碎帶或斷層而言，則必須進(jìn)行局部挖除后再回填混凝土；對于巖質(zhì)邊坡，巖體內(nèi)的斷裂面或軟弱結(jié)構(gòu)面往往就是潛在的滑動面，同樣可以開挖軟弱帶后用混凝土填塞斷裂部分，以提高結(jié)構(gòu)面的抗剪斷能力。兩者所回填的混凝土均可稱之為混凝土塞、抗剪洞或置換洞。通過多年的工程實踐證明混凝土置換洞加固是處理深層破碎帶的有效方法。

2 工程應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

在我國已建和在建的混凝土壩中，許多壩的復(fù)雜巖基是采用混凝土置換洞的處理方法，如早期的鳳灘拱壩、緊水灘拱壩、流溪河拱壩、龍羊峽水電站和安康水電站，國內(nèi)不少學(xué)者對混凝土置換洞加固進(jìn)行了研究。趙炳禎、李瓚、孫志恒等均對龍羊峽水電站重力拱壩的基礎(chǔ)處理進(jìn)行了分析：趙炳禎根據(jù)電站壩址的地質(zhì)地形條件，說明了采取混凝土置換洞處理復(fù)雜巖基的必要性和優(yōu)勢；李瓚根據(jù)龍羊峽重力拱壩斷層的混凝土置換處理的二維及三維彈塑性有限元分析和地質(zhì)力學(xué)模型試驗，得出斷層深部采用75000m3混凝土置換處理后，壩肩巖體剛化，承載力顯著提高，工程后期的觀測資料表明拱壩壩肩的加固效果比較理想；孫志恒通過龍羊峽水電站和安康水電站復(fù)雜巖基處理前后壩體穩(wěn)定情況的比較，結(jié)果表明用混凝土置換洞方案處理復(fù)雜巖基中的構(gòu)造破碎帶效果顯著，同時對混凝土洞塞的分類及其作用、混凝土洞塞的施工關(guān)系以及混凝土洞塞可能破壞的形式做了簡單介紹。安康水電站攔河壩對含產(chǎn)狀單一，分界明確的緩傾斷層壩段，采取以混凝土抗剪洞塞或抗剪樁為主的加固處理措施以增強壩基的抗滑能力。段亞輝等對加固重力壩基礎(chǔ)緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面抗滑洞塞系統(tǒng)的破壞機理進(jìn)行了分析，認(rèn)識到抗滑洞塞的受力狀態(tài)和破壞機理是復(fù)雜的，其最終的破壞形式與洞塞布置位置、高寬比、以及硐塞混凝土和周圍巖體的物理力學(xué)性質(zhì)等有關(guān)，因此對混凝土抗滑硐塞的最優(yōu)布置區(qū)域也進(jìn)行了分析。

饒紅玲通過兩端簡支深梁查表法、反力彈性地基梁法對混凝土塞的應(yīng)力計算方法進(jìn)行了探討，認(rèn)為混凝土塞的應(yīng)力計算是一個較復(fù)雜的課題，其應(yīng)力計算應(yīng)從實際情況出發(fā)，經(jīng)過綜合分析比較后得出合理的計算方法，計算結(jié)果與有限元法計算結(jié)果相對比，得出較為合理的置換深度和應(yīng)力。司志明根據(jù)青銅峽水電站的原型觀測成果分析了斷層混凝土塞的設(shè)計問題，認(rèn)為壩基斷層混凝土塞的實際工作條件復(fù)雜，以往一些設(shè)計理論有一定局限性，不能從理論上闡明混凝土塞的實際作用，對其傳力情況不夠明確，設(shè)計方法也存在不合理。根據(jù)已有的一些監(jiān)測研究成果，一般按基礎(chǔ)深梁的理論設(shè)計混凝土塞，由于只考慮了壩體傳來的垂直正應(yīng)力和充填帶的彈性抗力，而忽略了斷層兩側(cè)堅硬巖壁的抗力和壩體剛度的作用，以及混凝土塞的幾何尺寸、溫度應(yīng)力等因素的影響，使得計算假定與實際情況出入較大。趙永剛介紹了二灘拱壩壩基軟弱帶處理方法，對置換回填混凝土深度、混凝土塞的結(jié)構(gòu)計算和配筋、混凝土塞的溫控、置換混凝土外摻MgO技術(shù)的應(yīng)用、置換混凝土塊的穩(wěn)定做了一定分析。王明華針對寶珠寺水電站左壩肩置換洞混凝土的施工設(shè)計存在的一些問題進(jìn)行了改進(jìn)，包括混凝土的入倉方式、墊層封底、斷面一次澆筑成型以及止?jié){方式等。丁秀麗等通過銀盤水電站的三維極限平衡分析，得出該工程左岸壩肩邊坡采用置換阻滑鍵與錨索聯(lián)合加固措施較為合理，預(yù)應(yīng)力錨索與阻滑鍵的聯(lián)合加固，既可以解決巖體的變形失穩(wěn)問題，也可以有效地防止局部塊體的破壞，同時指出阻滑鍵設(shè)計的重要參數(shù)是層間剪切置換率。

陳衛(wèi)忠等根據(jù)小灣水電站拱壩的三維非線性有限元計算成果，左右岸壩肩采用錨索、錨桿和錨固洞等措施加固壩肩后，壩肩的巖體穩(wěn)定性得到改善，壩體位移明顯減小，并且對比加固方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，小灣壩肩較優(yōu)的加固方案為錨索/桿或錨索/錨固洞聯(lián)合支護(hù)。李秀龍根據(jù)小灣水電站拱壩工程施工經(jīng)驗，對壩肩抗力體地質(zhì)缺陷處理加固布置設(shè)計、施工方法、施工成果和施工監(jiān)測進(jìn)行了介紹。周述椿等對拉西瓦水電站拱壩左岸壩肩抗剪洞布置進(jìn)行了探討，認(rèn)為拱壩壩肩雙斜側(cè)或底滑面的分析很重要，根據(jù)地質(zhì)狀況要多角度、多方式地截分剖面和塊體，從而計算出最不利情況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)作為抗滑設(shè)計的依據(jù)。

寧宇、徐衛(wèi)亞等采用三維數(shù)值模型，模擬白鶴灘中壩址主要地質(zhì)現(xiàn)象及相關(guān)工程措施，分析得出設(shè)置抗剪洞后，抗剪洞部位的巖體位移連續(xù)，斷層F33位移錯動減小，不過抗剪洞設(shè)置只對其設(shè)置區(qū)域的局部應(yīng)力和位移有影響，而下游巖體影響不明顯。戴妙林、王鳳昊、陳威等基于白鶴灘水電站左岸邊坡處理項目，對混凝土置換洞加固效應(yīng)及更為局部的置換洞混凝土的變形和應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了一定研究。向柏宇等以錦屏Ⅰ級水電站左岸邊坡為例，較為系統(tǒng)地闡述了在大型邊坡工程治理中，深埋混凝土抗剪結(jié)構(gòu)的加固原理及運用條件、洞線設(shè)計及洞型選擇、開挖方式和施工程序設(shè)計、回填混凝土結(jié)構(gòu)和灌漿設(shè)計，認(rèn)為在大型巖質(zhì)邊坡治理中，深埋混凝土抗剪結(jié)構(gòu)中的深埋結(jié)構(gòu)面置換抗剪效果明顯。陳丹桂針對錦屏一級水電站左壩肩巖體卸荷十分強烈以及其地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致抗剪洞的施工難度大，采取置換洞周圍固結(jié)灌漿手段，從而確保了抗剪洞錨固效果及洞周圍巖的穩(wěn)定。

混凝土置換加固在國外也有不少應(yīng)用和研究，在邊坡加固和壩基加固中都有廣泛的應(yīng)用。美國的格林皮特重力壩、巴西的依泰普空腹重力壩等均采用混凝土抗滑硐塞加固。Siegris和Tobio對Itiyuro壩中使用混凝土置換加固措施處理巖基的軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行過介紹。早在1988年，簡伯格-科里森斯根據(jù)自己多年的工程經(jīng)驗，對水電工程中高壓混凝土塞的設(shè)計做過專門詳細(xì)地研究，其主要考慮高水頭壓力下混凝土塞與巖石接觸面處的滲透問題，一般要經(jīng)過幾次后期灌漿，使得滲漏下降到容許的程度，同時對塞子的長度和水壓力的關(guān)系進(jìn)行分析。Prabhat Kumar等在設(shè)計高圍巖壓力下的混凝土置換洞時，考慮了由于大體積混凝土帶來的溫控問題。

3 存在的問題及展望

混凝土置換洞由于其位置的特殊性和重要性，設(shè)計需十分嚴(yán)謹(jǐn)，因此要對其進(jìn)行詳盡可靠的分析研究，以期達(dá)到最佳加固效果和最為經(jīng)濟(jì)的工程建設(shè)。作者通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)的查閱，認(rèn)為混凝土置換加固在以下方面還有待進(jìn)一步研究和分析：

（1）目前的一些置換加固效應(yīng)研究一般側(cè)重于置換加固后的整體穩(wěn)定性分析，而對加固置換體本身的應(yīng)力分布、破壞狀態(tài)的研究則較為少見。八十年代有學(xué)者應(yīng)用剛體極限平衡法對置換洞做過研究，但是這很難考慮置換洞工作的復(fù)雜受力條件，無法全面的考慮置換洞在各種工況下的受力變形形態(tài)。隨著數(shù)值計算分析手段的不斷進(jìn)步，其優(yōu)勢在工程分析中已得到體現(xiàn)，因此有必要對相關(guān)問題進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。

（2）對于置換洞混凝土的配筋，文獻(xiàn)僅根據(jù)傳統(tǒng)彈性力學(xué)方法對鋼筋進(jìn)行配置，并未根據(jù)混凝土具體受力形態(tài)及可能出現(xiàn)裂縫位置等進(jìn)行鋼筋配置，文獻(xiàn)中提出置換洞的受力破壞形態(tài)與諸多復(fù)雜因素有關(guān)，僅將置換洞作為梁考慮進(jìn)行配筋計算已不夠準(zhǔn)確，隨著鋼筋混凝土的本構(gòu)模型研究的不斷完善，應(yīng)用數(shù)值軟件完全可以對置換洞進(jìn)行合理的配筋分析。

（3）在一定的工程地質(zhì)條件下，影響因素對壩基和邊坡失穩(wěn)的貢獻(xiàn)是不同的，混凝土置換加固對壩基和巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性有重要作用。有必要探討巖質(zhì)邊坡混凝土置換加固體各物理和力學(xué)參數(shù)的浮動對邊坡穩(wěn)定性所造成的影響。得出各種因素的敏感性，可以使得置換洞設(shè)計更加有跡可循，使工程更加經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)語

本文闡述了混凝土置換加固方法的基本原理、應(yīng)用條件和優(yōu)勢，總結(jié)該加固方法在國內(nèi)外的工程應(yīng)用和研究狀況?；炷林脫Q洞與周圍的巖體、軟弱結(jié)構(gòu)面的相互作用，以及置換洞在外荷載作用下的受力狀態(tài)和破壞機理較為復(fù)雜，有關(guān)研究人員做了許多研究工作，但仍缺乏對置換體變形、應(yīng)力和屈服狀態(tài)較為完善的認(rèn)識。隨著目前工程要求的不斷提高，工程條件的不斷惡劣，有必要對混凝土置換洞存在的相關(guān)問題運用新的研究技術(shù)和手段進(jìn)行更加詳細(xì)的研究分析，這樣才能保證工程的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)實用性。

[1]李瓚.龍羊峽重力拱壩的斷層深部處理[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1998，7(4)：335-345.

[2]段亞輝，王宏碩，陸述遠(yuǎn).重力壩壩基抗滑硐塞破壞機理的分析[J].武漢水利電力學(xué)院學(xué)報，1990，23(1)：10-17.

[3]饒紅玲.混凝土塞應(yīng)力計算方法淺析[J].四川水力發(fā)電，1996，6(3)：73-77.

[4]戴妙林，鞠智敏.巖質(zhì)邊坡混凝土置換洞變形特點及加固效果分析[J].水電能源科學(xué)，2012，30(7)：123-126.

[5]向柏宇，姜清輝，周鐘等.深埋混凝土抗剪結(jié)構(gòu)加固設(shè)計方法及其在大型邊坡工程治理中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31(2)：289-302.

[6]簡伯格-科里森斯.水電工程中高壓混凝土塞的設(shè)計[J].國外科技，1991.

G322

B

1007-6344（2017）10-0273-02

吳志誠 九江縣公安消防大隊技術(shù)8級工程師

作者簡介：鞠智敏（1987—），男，工程師，研究方向為水利水電工程施工組織設(shè)計。