新安江右岸岸坡壩段側(cè)向穩(wěn)定處理方案研究和實(shí)施

趙新華

（國(guó)網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江 杭州，311608）

1 概述

新安江混凝土重力壩右岸岸坡壩段施工期間，由于種種原因，3號(hào)、4號(hào)壩段的建基面未開(kāi)挖出足夠范圍的平臺(tái)，因此存在側(cè)向穩(wěn)定問(wèn)題，一直是大壩安全運(yùn)行的一個(gè)隱患。大壩建成后，針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了大量的計(jì)算分析工作及一些工程處理措施，歷次計(jì)算分析的主要結(jié)論都認(rèn)為：3號(hào)、4號(hào)壩段在單獨(dú)受力的情況下側(cè)向穩(wěn)定安全度不滿足規(guī)范要求，考慮3～6號(hào)壩段聯(lián)合受力后可滿足規(guī)范要求，因此3～6號(hào)壩段間橫縫的并縫處理可解決3號(hào)、4號(hào)壩段的側(cè)向穩(wěn)定問(wèn)題。在以往的工程處理中，進(jìn)行了3～7號(hào)壩段橫縫并縫灌漿試驗(yàn)、2～7號(hào)壩段壩基固結(jié)灌漿補(bǔ)強(qiáng)以及壩基面布置抗剪鋼棒，這些工程處理措施在一定程度上增強(qiáng)了右岸岸坡壩段的側(cè)向穩(wěn)定，但3～6號(hào)壩段間橫縫并縫所傳遞的荷載仍未達(dá)到大壩側(cè)向穩(wěn)定的要求，未能徹底解決其側(cè)向穩(wěn)定問(wèn)題。

2008～2009 年第三次大壩安全定檢期間，定檢專家組、新安江電廠和華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院等有關(guān)單位對(duì)以往的研究成果和工程處理措施進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，結(jié)合多年來(lái)大壩運(yùn)行期間的監(jiān)測(cè)成果，對(duì)大壩的運(yùn)行狀況做出了總結(jié)和評(píng)價(jià)，復(fù)核了壩基地質(zhì)參數(shù)，結(jié)合運(yùn)行期揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)成果，利用剛體極限平衡法和三維有限元法對(duì)大壩的側(cè)向穩(wěn)定進(jìn)行了更為準(zhǔn)確的復(fù)核計(jì)算。在以上大量的總結(jié)和研究工作的基礎(chǔ)上，對(duì)右岸岸坡壩段的側(cè)向穩(wěn)定問(wèn)題基本有了明確的認(rèn)識(shí)，提出了各壩段間橫縫并縫需要達(dá)到的連接強(qiáng)度，為徹底解決右岸岸坡壩段側(cè)向穩(wěn)定問(wèn)題提供了依據(jù)。

2 以往的研究與復(fù)核成果

2.1 浙江大學(xué)1995年完成的《大壩右岸3～6號(hào)壩段穩(wěn)定性分析》主要成果

（1）計(jì)算表明，3號(hào)壩段不論沿壩軸線方向（側(cè)向）、上下游方向以及沿合力方向的抗滑穩(wěn)定安全度均不足，4號(hào)、5號(hào)壩段沿壩軸線方向與上下游方向的抗滑穩(wěn)定安全度能滿足規(guī)范要求，僅沿合力方向的安全度稍偏?。?.5左右）。

（2）3號(hào)壩段抗滑穩(wěn)定安全度偏小的原因，主要是由于壩基面抗剪斷參數(shù)f′、c′較小，壩基開(kāi)挖時(shí)未形成足夠?qū)挾鹊钠脚_(tái)，揚(yáng)壓力較高等。

2.2 第三次定檢期間華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院2009年完成的《右岸3～7號(hào)壩段側(cè)向穩(wěn)定補(bǔ)充復(fù)核報(bào)告》主要成果

（1）各壩段單獨(dú)受力的情況下，3號(hào)、4號(hào)壩段的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，5號(hào)壩段的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

（2）經(jīng)計(jì)算，需考慮3～6號(hào)壩段間橫縫的傳力作用方可保證右岸岸坡壩段的抗滑穩(wěn)定安全。

（3）右岸岸坡壩段側(cè)向穩(wěn)定安全的關(guān)鍵在于3～4號(hào)、4～5號(hào)、5～6號(hào)壩段間的橫縫能否傳遞計(jì)算所需的推力和剪力。經(jīng)計(jì)算：3～4號(hào)橫縫需傳遞推力175 687 kN、剪力128 924 kN；4～5號(hào)橫縫需傳遞推力468 931 kN、剪力295 846 kN；5～6號(hào)橫縫需傳遞推力92 629 kN、剪力152 769 kN。

3 處理方案對(duì)比分析

3.1 方案1：橫縫灌漿

對(duì)于橫縫灌漿方案，優(yōu)點(diǎn)是若能有效充填橫縫間的空隙，則大壩整體性可明顯增加，但以往的橫縫灌漿施工經(jīng)驗(yàn)表明，大壩間橫縫錯(cuò)位嚴(yán)重，橫縫面呈非常不規(guī)則的鋸齒形狀，因此很難鉆孔形成有效的騎縫孔，灌漿效果很難得到保證。另外，灌漿的費(fèi)用更高，且后期運(yùn)行時(shí)的質(zhì)量檢查工作也很困難。

3.2 方案2：各壩段間設(shè)置對(duì)穿預(yù)應(yīng)力錨索

該方案施工難度較大、造價(jià)高昂。

3.3 方案3：在寬縫中回填混凝土

對(duì)寬縫回填方案，施工難度較低，澆筑混凝土的質(zhì)量也更加容易控制，寬縫間新增的回填混凝土可有效增強(qiáng)大壩間的整體性。另外，寬縫回填費(fèi)用也更低一些，運(yùn)行期的質(zhì)量檢查工作也更簡(jiǎn)便一點(diǎn)。

綜合以上，寬縫回填方案在增加大壩整體聯(lián)結(jié)強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)性、可施工性、運(yùn)行方便性等方面均具有優(yōu)勢(shì)，因此本次處理選擇寬縫回填方案。

4 處理方案主要研究?jī)?nèi)容

采用剛體極限平衡法和有限元法，計(jì)算分析壩段間需要傳遞的推力值和剪力值，明確寬縫內(nèi)需回填混凝土的面積和部位。通過(guò)資料收集、國(guó)內(nèi)類似工程調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等選定回填混凝土材料。

4.1 主要研究?jī)?nèi)容和思路

（1）結(jié)合以往的研究和復(fù)核成果，研究需回填的寬縫。

（2）依據(jù)第三次大壩安全定檢期間經(jīng)剛體極限平衡法計(jì)算得出的壩段間橫縫需傳遞的推力和剪力成果，研究需要回填的面積。

（3）采用三維有限元法，對(duì)不同回填部位的方案進(jìn)行計(jì)算和比較，同時(shí)，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，研究回填混凝土的位置。

（4）最后研究回填混凝土采用的混凝土材料。

4.2 主要研究步驟

本次研究中的主要難點(diǎn)在于確定需要回填的面積和回填的部位，基本思路是采用剛體極限平衡法計(jì)算確定需要回填的面積，采用三維有限元法計(jì)算來(lái)確定回填的位置，主要是基于以下考慮：

（1）剛體極限平衡法的力學(xué)假定明確，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便，所需的參數(shù)可由常規(guī)的室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)確定，而且經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期廣泛的使用，積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)，形成了一套定量評(píng)價(jià)的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是規(guī)范中規(guī)定的基本計(jì)算方法。因此，在確定需回填的面積時(shí)，采用剛體極限平衡法。

（2）剛體極限平衡法將壩段簡(jiǎn)化為不變形的剛體，無(wú)法模擬不同回填部位的效果，因此，采用三維有限元法來(lái)對(duì)不同回填部位的方案進(jìn)行計(jì)算和比較，研究回填混凝土布置的位置。

（3）需回填的寬縫。根據(jù)大壩安全第三次定檢期間的3～6號(hào)壩縫傳力可靠性核查成果，除4～5號(hào)壩縫外，其余壩縫均可傳遞計(jì)算所需的作用力。因此，將4～5號(hào)壩縫加強(qiáng)至設(shè)計(jì)要求，可解決右岸岸坡壩段的側(cè)向穩(wěn)定問(wèn)題。對(duì)于5～6號(hào)寬縫，由于本次回填有施工條件，增加回填的成本較小，建議也一并進(jìn)行回填，以增加大壩的安全裕度。

（4）需回填的面積。第三次大壩安全定檢期間提出的4～5號(hào)橫縫需傳遞的推力和剪力分別為：推力N4-5=468 931.05 kN，剪力R4-5=295 846.12 kN。4～5號(hào)壩段寬縫需回填混凝土面積為142.11 m2方可保證傳遞所需推力，可傳遞剪力為375 144.84 kN，大于295 846.12 kN，也滿足要求。

5～6號(hào)橫縫需傳遞的推力和剪力分別為：推力N5-6=92 628.89 kN、剪力R5-6=152 768.74 kN。故至少需回填的面積為28.07 m2方可保證傳遞所需推力。當(dāng)回填面積28.07 m2時(shí)，可傳遞剪力為74 103.11kN，小于R5-6，不滿足要求，按剪力來(lái)計(jì)算所需面積為57.87m2，此時(shí)，可傳遞推力為190 960.9 kN，大于 N5～6，滿足要求。

（5）回填位置的研究。寬縫回填混凝土位置的研究采用三維有限元法，通過(guò)對(duì)不同回填部位的方案（方案1：寬縫內(nèi)回填混凝土布置在上游區(qū)域；方案2：寬縫內(nèi)回填混凝土布置在中部區(qū)域；方案3：寬縫內(nèi)回填混凝土布置在下游區(qū)域）進(jìn)行模擬計(jì)算和比較，以尋找傳力效果最好的回填位置。同時(shí)，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，最終確定回填的位置。

圖1 三維有限元計(jì)算網(wǎng)格圖Fig.1 Grid of three-dimensional finite element calculation

圖2 寬縫內(nèi)回填混凝土位置示意圖Fig.2 Backfilling concrete location in slotted gravity dam

4.3 主要研究成果

利用三維有限元法計(jì)算了考慮壩段間傳力效應(yīng)后各壩段的壩體變形、應(yīng)力和穩(wěn)定安全度，考慮壩段間傳力效應(yīng)后，各壩段的抗滑穩(wěn)定面安全度都超過(guò)3.0，滿足規(guī)范要求。

同時(shí)，利用三維有限元法對(duì)寬縫內(nèi)回填混凝土布置不同位置的方案進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果表明回填混凝土布置在上游、中部和下游區(qū)域時(shí)，大壩的位移、應(yīng)力及整體穩(wěn)定安全系數(shù)的差別很小，三個(gè)方案的傳力效果基本相同。因此，從傳力效果方面來(lái)看，回填混凝土布置在上游、中部、下游區(qū)域或通倉(cāng)澆筑都是可行的。另外，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)看，目前寬縫內(nèi)的上游和中部布置有觀測(cè)房，搬遷代價(jià)大，因此，本次處理采用回填在下游的方案。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)計(jì)算分析明確地提出了各壩段間橫縫需要傳遞的推力和剪力，同時(shí)核查了3～6號(hào)壩段間壩縫的傳力可靠性，為徹底解決右岸岸坡壩段的側(cè)向穩(wěn)定問(wèn)題提供了基礎(chǔ)?？蛇x的處理方案有：橫縫灌漿方案和寬縫回填混凝土方案，從施工難度、工程效果方面考慮，建議采用寬縫回填方案。經(jīng)剛體極限平衡法計(jì)算，4～5號(hào)壩段寬縫和5～6號(hào)壩段寬縫回填混凝土面積分別達(dá)到142.11 m2和57.87 m2時(shí)，可傳遞計(jì)算所需的推力和剪力。利用三維有限元法對(duì)回填在寬縫的上游區(qū)域、中部區(qū)域和下游區(qū)域的情況進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明寬縫回填在上游、中部和下游區(qū)域的傳力效果基本相同。鑒于微膨脹混凝土的膨脹作用效果不明顯，建議采用普通混凝土回填，為使回填混凝土和原壩體混凝土之間結(jié)合良好，新老混凝土間采用接觸灌漿。

根據(jù)大壩安全第三次定檢要求，為徹底解決新安江水電站右岸岸坡壩段側(cè)向穩(wěn)定問(wèn)題，本研究方案對(duì)以往的研究和復(fù)核成果進(jìn)行了全面系統(tǒng)的總結(jié)，并以大壩安全第三次定檢期間的攻關(guān)和研究成果為主要依據(jù)，對(duì)右岸岸坡壩段側(cè)向穩(wěn)定問(wèn)題的處理方案和實(shí)施要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況、溫控及埋設(shè)儀器的測(cè)量結(jié)果分析，選定了實(shí)施方案，并于2014年9月～2015年開(kāi)展了回填施工。

寬縫回填施工過(guò)程中，按規(guī)范對(duì)主要施工項(xiàng)目進(jìn)行質(zhì)量抽查和檢測(cè)，其中側(cè)壁插筋拉拔力檢測(cè)結(jié)果均大于設(shè)計(jì)值；回填混凝土抗壓強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。由于測(cè)縫計(jì)顯示新老混凝土接觸面尚未拉開(kāi)，故目前尚未實(shí)施中后期冷卻、接觸灌漿和排水孔施工。后續(xù)將根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析接觸灌漿的必要性，并適時(shí)實(shí)施排水孔鉆設(shè)。 ■

[1]國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)大壩安全監(jiān)察中心新安江水電站大壩安全第三次定期檢查專家組.浙江新安江水電站大壩安全第三次定期檢查報(bào)告[R].2010.

[2]國(guó)網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠,中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司.新安江電廠基于寬縫回填混凝土處理右岸側(cè)向穩(wěn)定措施的研究報(bào)告[R].2014.