Chambon大壩的補強加固工程

Olivier Chulliat,Etienne Grimal,Emmanuel Robbe

（法國電力集團水利工程中心）

1 工程概況

Chambon大壩是一座高137 m的巨型混凝土重力壩，位于法國阿爾卑斯山海拔1 000 m的羅曼斯河上。大壩壩頂長度約300 m，壩體左岸呈弧形。Chambon大壩建于1929—1935年，水庫庫容為5 000萬m3，電站裝機116 MW，主要功能是水力發(fā)電，1946年以來電站由法國電力集團負責運營。

1958年發(fā)現(xiàn)了Chambon大壩受堿骨料反應影響，當時發(fā)現(xiàn)了無法解釋的裂縫和變形。大壩中心壩段每年向下游位移1 mm，而弧形左翼每年向上游位移5 mm。壩頂每年上抬3.6 mm。溢洪道排水廊道與下游面之間出現(xiàn)了一條水平裂縫。下游左岸巖質(zhì)壩肩滲水每年增量為3 L/min。

從那時起，進行了多次調(diào)查和實驗室測試。1970年代末期，正式確認了存在堿骨料反應。其中，被認為是主因的骨料來自當?shù)氐钠閹r采石場，內(nèi)含多層黑色云母片巖。

2 第一輪補強加固工程（1991—1997年）

1991年，一個成員來自業(yè)主法國電力集團、設計方Coyne et Bellier和公共事務管理局的工作小組提出了新建大壩的替代方案。由于測得的縱向壓應力為2~6 MPa，初步的想法是將溢洪道與大壩分開，以消除閘門堵塞或樁體發(fā)生剪切破壞的風險。為保證補強加固作業(yè)期間的工程安全，在左岸巖質(zhì)邊坡內(nèi)新建了一條地下溢洪道。

第二個目標是通過創(chuàng)新性地在大壩上部切槽來減輕膨脹應力（Chambon大壩是世界上第二座試驗這一工法的大壩）。設計方Coyne et Bellier在無張力模型中應用了各向同性溫升-膨脹規(guī)律，以期預測切槽對大壩膨脹的影響。大壩的定性性態(tài)得到了很好地描述，但其縱向壓應力比測量值高了2~3倍。在這種情況下，模型計算得出的左岸頂部10~30年后的應力是不可接受的。切槽的作用是減小這種不可接受的應力。然而，模型顯示，這種應力釋放的作用不會持續(xù)超過20年，未來還需要采取其他措施。

在切槽之前，先對下游面上部發(fā)現(xiàn)的一條混凝土張開接縫進行灌漿（壩頂下5~20 m，長200 m，深2~3 m），見圖1。這一措施是必要的，以確保被水平混凝土接縫和豎直切割分開的壩塊的靜態(tài)穩(wěn)定性和抗震穩(wěn)定性。1992年和1993年，分兩季對所有裂縫進行了數(shù)次充填和灌漿封閉（0.5

1991—1997年，為消除因裂縫張開引起的大壩上部的揚壓力和解決切槽防水的問題，在大壩上游面頂部40 m敷設了9 000 m2Carpi PVC密封土工膜，見圖1（b）。提前在上游面噴砂漿找平。在土工膜底部嵌入了鋼筋梁，采用土工格柵確保能排水并進行穿刺保護。土工膜在間距為1.85 m的垂面間張緊，排水系統(tǒng)分為9個獨立的分區(qū)，各自進行滲漏監(jiān)測。通過這種方式，可以方便地定位所有滲漏的起點。由于對壩基進行了補充灌漿，并在溢洪道趾部澆筑了混凝土殼，左壩肩滲漏由1994年的50 L/min降至1995年的22 L/min，1997年降至17 L/min。

開始切槽工程之前，原溢洪道已退役。閘門被移除，出口用4 000 m3混凝土進行了封堵，見圖1（c）。

1995—1997年，進行了3次切槽：利用11 mm的金剛石線，在壩頂以下18~32 m深度范圍內(nèi)，1995年完成了2個槽，1996年完成了3個槽，1997年完成了3個槽，見圖1（d）。切槽對大壩的主要影響為：（1）弧形部分向下游回移；（2）岸側(cè)壩塊回向壩體中心。在最后一次切槽中，3個槽沒有封閉，而周圍的槽和接縫張開了，這是應力釋放有效的標志。

圖1 1990年代進行的與堿骨料反應相關的工作Fig.1 1990's main works in relation with AAR

3 新診斷（2007—2010年）

第一次補強加固工程后的15年，切槽開合度監(jiān)測結果顯示頂部再次緩慢壓縮，垂線監(jiān)測則表明弧形的左翼再次向上游方向移動。隨著這一移動，溢洪道下方的水平裂縫重新張開了。

根據(jù)這些觀察，2007—2010年，對大壩進行了深入調(diào)查，其目的是對大壩工況進行診斷，并確定為保證大壩在安全狀態(tài)下繼續(xù)運行需要采取的下一步行動。調(diào)查包括：對壩體進行鉆孔，以識別裂縫網(wǎng)的發(fā)展程度；通過在鉆孔內(nèi)進行數(shù)字鉆孔記錄，對混凝土和巖石界面進行仔細檢查；對代表大壩不同部位的采樣進行實驗室膨脹試驗，進行識別和特性描述；利用扁千斤頂設備現(xiàn)場測量廊道內(nèi)部和下游面的應力。為了得到三維應力張量，還進行了原位套鉆取芯試驗，得到了更多壓應力的相關結果。通過膨脹試驗對壩基模量也進行了測量。

調(diào)查顯示，在壩體上部某些高程的排水帷幕上存在著垂直裂縫體系，由此可得出結論：在地震工況下，上游某些混凝土壩段可能存在穩(wěn)定性問題。這些高程上的排水帷幕和延伸的水平或垂直隔斷可能已對壩段進行了預先切割。這些裂縫的存在有以下原因：（1）直徑為800 mm和300 mm的豎直排水管的平均距離為3.20 m，它們可能是沿壩軸線的“預切割線”；（2）上游混凝土的水泥含量為250 kg/m3，下游混凝土的水泥含量為150 kg/m3，上下游混凝土的膨脹率不同，可能會在結合面產(chǎn)生剪切應力（見圖2）；（3）大壩在左岸呈弧形。這些裂縫大多數(shù)是在弧形區(qū)域鉆孔時觀察到的，縫寬為幾毫米至1 cm以上。大多數(shù)時候，不同的裂縫在壩體內(nèi)部并不相連，但可能存在地震荷載作用下的不穩(wěn)定塊體。這些虛擬塊的劃分：垂直縱向方向，由垂直縱向裂縫和上游面（2.50~4.10 m）分割；垂直橫向方向，由伸縮縫、切槽（5.30~16.30 m）及可能與現(xiàn)有排水管相連的裂縫（平均距離約3 m的奇異點）分割；水平方向上，由施工縫（2.40~2.90 m）分割。

圖2 從下游面和截面視角觀察的豎直排水幕Fig.2 The vertical drainage curtain seen from downstream and cross section

結構裂縫之間，混凝土展現(xiàn)出了良好的力學性能：抗壓強度超過20 MPa，瞬時形變模數(shù)超過20 GPa。此外，左岸壩肩內(nèi)石灰?guī)r（三疊系）和火成巖（片麻巖）間的交界面未受大壩擠壓影響，是閉合的，巖體質(zhì)地優(yōu)良（變形模量為6~14 GPa），沒有像左岸壩肩內(nèi)因大壩膨脹應力而形成剪切面的風險。實驗室膨脹試驗顯示，混凝土的膨脹會以相對恒定的速率持續(xù)幾十年，也不排除會逐漸放緩的可能性。本案例中采用法國電力集團開發(fā)的ASTER軟件中應用的混凝土多尺度膨脹規(guī)律、堿骨料和延遲鈣礬石生成結構效應建模模擬、大壩和水工建筑物中的膨脹混凝土（Code_Aster為法國電力集團自1989年起開始研發(fā)的通用結構和熱力耦合有限元仿真軟件，可用于力學、熱學和聲學等物理現(xiàn)象的仿真分析，以及進行上述現(xiàn)象的耦合仿真分析）。它能非常好地擬合大壩監(jiān)測性態(tài)（見圖3）。有限元計算表明，1990年代進行的切槽仍對大壩上部結構有益，通過監(jiān)測弧形左翼的變形可以得到證實。

圖3 三維模型模擬計算的變形與實測變形對比Fig.3 Comparison of measured and computed deformations in 3D modeling

然而，計算結果顯示出了平行于壩肩的顯而易見的應力，在中期有剪切巖石與大壩交界面的風險（見圖4）?；谶@一診斷，決定對其進行補強加固，并于2010年收到了來自大壩和水工建筑物常設技術委員會（受法國工業(yè)部委任）的批準。

圖4 計算得到的大壩最大主壓應力Fig.4 The maximal principal compressive stresses calculated in the dam

4 第二次加固工程（2013—2014年）

第二次補強加固的主要目的是加強大壩上部的完整性，防止上游壩塊的坍塌，避免導致大壩不穩(wěn)定。通過安裝415根鋼筋，實現(xiàn)對大壩上部的約束（見圖5）。

圖5 從下游視角看鋼筋模式（深色）和排水帷幕（淺色）Fig.5 The tendons pattern and drainage curtain seen from downstream

T15型涂油脂帶護套的水平線纜從上游穿過結構到下游，對其進行了預張拉，在護套外不灌漿，因為裂縫的存在可能影響補強加固工程的順利完成。線纜間隔為3.70 m（水平）和4 m（垂直），即鋼筋間的間隔面積為15 m2。所得網(wǎng)格適合大多數(shù)壩塊最可能的尺寸，這些壩塊由平行于壩軸線和上游面的垂直裂縫、平行于水流方向的垂直接縫或以前的切槽及水平方向的混凝土接縫劃分而成。上游和下游的線纜頭完全嵌入壩體的預留鉆孔內(nèi)，這些鉆孔的直徑為500~700 mm。通過對預留鉆孔澆筑混凝土和敷設密封膜，在上游側(cè)加強了腐蝕防護。由混凝土膨脹導致的張力逐漸增加仍然是可能的，下游線纜頭設計為可調(diào)節(jié)式，為了適應可能的張力，有必要對其進行放松。

在大壩運行期間，對66根鋼筋束的張力進行了監(jiān)測。它們裝有傳感器，每個傳感器包含三根振弦線，與現(xiàn)有的大壩遠程監(jiān)控系統(tǒng)相連，還可以隨時對每個鋼筋束進行原位調(diào)整。下游線纜頭的設計可使其在任何情況下都能承受規(guī)定限值內(nèi)的張力：（1）較低的張力限值等于地震情況下產(chǎn)生的拉力，以防止所有壩塊移動；（2）鋼筋束屈服應力的80%作為較高的張力限值（包括地震力、因混凝土膨脹引起的額外張力、鋼筋和混凝土之間的熱膨脹差，以及測量的不確定性）。

補強加固工程的設計壽命為50年，理論上每20年放松鋼筋束1次（代表著最長鋼筋束的理論伸長值為24 mm）。張力設計中的應力來自：

（1）地震產(chǎn)生的拉力：水平加速度（地面峰值加速度0.18g）在壩頂處達到最大值，放大約7倍；

（2）混凝土的進一步膨脹，假設各向同性膨脹速率為每年50μm/m。

應用的預應力鋼筋束類型包括位于下部的3T15（長度24 m，369 kN≤T≤595 kN）、位于上部的7T15（長度5 m,1 060 kN≤T≤1 388 kN），以及局部使用的10T15。為預應力鋼筋鉆設的4 180 m長的鉆孔從上游取芯，撓度公差為1%。為了繪制裂縫網(wǎng)絡，并在三維數(shù)字模型中表示出來，對裂縫進行了系統(tǒng)的數(shù)字化鉆孔檢查。

除鋼筋束外，在上游面上還設置了碳纖維合成網(wǎng)。該網(wǎng)由6 000 m碳纖維帶粘合而成。這些20~30 cm寬的碳纖維帶沿垂直、水平和對角線連接鋼筋接頭（見圖6）。

圖6 上游視角的碳纖維網(wǎng)Fig.6 The carbon fiber net seen from upstream

碳纖維網(wǎng)的作用是對較小塊體進行約束，鋼筋束可能對這些較小塊體不起作用。帶狀的復合材料（環(huán)氧樹脂粘合碳纖維條）可將1~8層材料粘合在一起，粘貼在之前噴過砂漿的表面，以形成“鏈狀縫”，可承受因地震和混凝土進一步膨脹形成的拉應力。經(jīng)實驗室測試后設計的錨固裝置將伸入到上游預留鉆孔內(nèi)，連接碳纖維帶與鋼筋上游接頭（見圖7）。它由固定碳纖維帶的上游板和將力傳遞到鋼筋接頭的下游板組成，由8根錨桿連接（根據(jù)需要傳遞的應力大小選用M24~M40型號）。碳纖維帶在水流區(qū)是連續(xù)的，錨固裝置位于補強加固區(qū)外圍，碳纖維帶纏繞在錨固裝置上。

圖7 碳纖維網(wǎng)錨固裝置Fig.7 Carbon fiber net anchoring device

碳纖維復合材料是土木工程中的一種常用材料，但其作為抗震網(wǎng)的應用具有相對創(chuàng)新性，要求在實驗室進行質(zhì)量鑒定測試。該測試裝置由10塊混凝土塊組成，模擬鋼筋接頭被纏繞包裹，并確定平均網(wǎng)格尺寸為3.7 m×4.0 m，在遇到不同構型時，測試復合帶采用兩兩連接的方式。試驗中施加一個垂直于碳纖維帶的力。試驗得到的抵抗力值隨后被納入整個設計，并被考慮到計算模型中，以確定每條帶所需的層數(shù)。

利用數(shù)值模型確定通過金剛石線切槽的新一輪補強加固工程，以避免結構上部再次受壓，同時使平行于壩肩的應力線路上的應力得到緩解（見圖8）。

圖8 新一輪補強加固工程中的切槽設計Fig.8 The design of the new campaign of slot cutting

切槽基本重復1990年代的開槽軌跡，但有以下幾處不同：

（1）位于大壩中部的S3切槽沒有再切一次，因為在之前的補強加固中，有線纜卡在里面了。

（2）S3兩側(cè)的切槽（S2和S4）都被加深到42 m，每個切槽面積增加為650 m2，彌補S3沒有再次切槽的影響，但主要是為了提高混凝土和巖石交界面的應力折減效率。

（3）金剛石線寬16 mm（以前是11 mm），充分利用自1990年代以來的技術進步，并避免在之前未完全封閉的切槽中被軋住的風險。

（4）切槽技術的進步大大提高了現(xiàn)在的切槽速度，2臺設備在6個月內(nèi)完成了2 500 m2切槽。

補強加固工程竣工4年后，才能評估切槽對大壩性態(tài)的影響。在大壩上部，其作用與第一次補強加固后的觀察結果非常相似：弧形區(qū)域再次向上游移動，中部和右岸則向下游加速變形，原施工縫和切槽重新張開，側(cè)面壩體向大壩中心靠攏。在壩體下部，補強加固工程后，側(cè)面壩體向大壩中心的再次位移明顯增大，證實了S2和S4的加深對減小沿壩肩應力的有效性。

關于補強加固工程的施工條件，有幾個主要的現(xiàn)場約束條件制約了工程的流程和進度：（1）壩頂有一條重要的公路，海拔高度超過1 000 m；（2）工程位于環(huán)境敏感區(qū)；（3）水力發(fā)電廠還在持續(xù)運營；（4）時間緊，且不同工種之間有許多交界面。

在大壩上游面和下游面跟工程相關的區(qū)域都搭設了腳手架，因此可以方便地到達施工地點，架板總長度超過8 000 m。2臺75 m的變幅塔式起重機是主要的起重設備，在工地上搬運重達3 t的貨物。

補強加固工程于2013年1月開工，2014年12月完工。冬季水庫入庫流量低，因為河流水情主要取決于春天的融雪。第一個冬天，拆除了現(xiàn)有的8 700 m2的上游密封膜。第二個冬天則處理了較低的部位，通過利用庫水位自然的季節(jié)性下降，減少了發(fā)電量損失。

在大壩補強加固和重新鑒定期間，庫水位降低了30 m。在補強加固工程的最低點以下，還保留了可容納重現(xiàn)期10年洪水的防洪庫容。

新的防水膜與1995年完成的防水膜相同，只有一些小的修改和改進。它由間隔1.85 m的垂直裝置拉緊、排水，并分成12個獨立的分區(qū)。之前的土工膜在使用了近20年后仍保持著良好的性能，并且大部分的不銹鋼部件都可以重復利用。

補強加固工程的參與方包括法國布依格集團VSL公司（鋼筋、碳纖維、土木工程和設施）、意大利Marietta spa公司（切槽）和瑞士Carpi Tech BV公司（密封膜）。

5 結語

2013年1月—2014年12月，歷時2年進行了切槽、鋼筋束和碳纖維帶的安裝、防水系統(tǒng)的拆除和重新安裝等工作。完美的規(guī)劃及不同工種間的密切協(xié)調(diào)取得了良好的效果，法國電力集團和各個承包商之間的良好合作保證了補強加固工程在期限內(nèi)順利完成。

由于水庫上方山體滑坡，蓄水推遲了1年。2016年春季，成功進行了水庫蓄水。擴展的監(jiān)測系統(tǒng)能精確跟蹤大壩性態(tài)，并確認切槽的作用符合模型預測。以后將繼續(xù)進行定期診斷，以確保大壩運行在最佳安全條件下。