增加重力坝稳定性的措施

2011-12-21张彩军

黑龙江水利科技 2011年5期

关键词：重力坝坝基摩擦系数

张彩军

(黑龙江省共青农场，黑龙江萝北 154213)

增加重力坝稳定性的措施

张彩军

(黑龙江省共青农场，黑龙江萝北 154213)

重力坝是用混凝土或浆砌石修筑的大体积挡水建筑物，其主要特点是依靠自重来维持坝身的稳定。重力坝必须保证在各种外力组合的作用下，有足够的抗滑稳定性，抗滑稳定性不足是重力坝最危险的病害情况。当发现坝体存在抗滑稳定性不足，或已产生初步滑动迹象时，必须详细查找和分析坝体抗滑稳定性不足的原因，提出妥善措施，及时处理。

重力坝稳定性;滑动迹象;摩擦力;增大安全;系数;减少扬压力;加强防渗

1 重力坝抗滑稳定性不足的主要原因

根据对重力坝病害和失事情况的调查分析，坝体抗滑稳定性不足，主要是由于重力坝在勘测、设计、施工和运用管理中存在的如下问题造成的:

1)在勘测工作中，由于对坝基地质条件缺乏全面了解，特别是忽略了地基中存在的软弱夹层，往往因为采用了过高的摩擦系数而造成抗滑稳定性不足。

2)设计的坝体断面过于单薄，自重不够，或坝体上游面产生了拉应力，扬压力加大，使坝体稳定性不够。

3)施工质量较差，基础处理不彻底，使实际的摩擦系数值达不到设计要求，而坝底渗透压力又超过设计计算数值，造成不稳定。

4)由于管理运用不善，造成库水位较多地超过设计最高水位，增大了坝体所受的水平推力或排水设施失效，增加了渗透压力，均会减小坝体的抗滑稳定性。

2 增加重力坝抗滑稳定性的主要措施

重力坝承受强大的上游水压力和泥沙压力等水平荷载，如果某一截面的抗剪能力不足以抵抗该截面以上坝体承受的水平荷载时，便可能产生沿此截面的滑动。由于一般情况下坝体与地基接触面的结合较差，因此，滑动往往是沿坝体与地基的接触面发生的。所以，重力坝的抗滑稳定分析，主要是核算坝底面的抗滑稳定性。坝底面的抗滑稳定性与坝体的受力有关，重力坝所受的主要外力有:垂直向下的坝体自重;垂直向上的坝基扬压力;水平推力和坝体沿地基接触面的摩擦力等。如图1所示。

摩擦力F的大小，决定于坝体重力与坝基扬压力之差和坝体与坝基之间的摩擦系数f的乘积。坝体的抗滑稳定性，可用式1表示:

式中:ΣP为水平推力，包括水压力、风浪压力、泥沙压力等;ΣG为垂直向下的坝体、水、泥沙的重力;u为垂直向上的坝基扬压力;f为抗剪摩擦系数;K为安全系数。

由式(1)可知，增加坝体的抗滑稳定，也就是增大安全系数，其途径有:减少扬压力，增加坝体重力，增加摩擦系数和减少水平推力等。现将具体措施分述如下。

2.1 减少扬压力

扬压力对坝体的抗滑稳定性有极大的影响，减少扬压力是增加坝体抗滑稳定性的主要方法之一，特别是当观测中发现实测扬压力增大成为坝体抗滑稳定性不足的主要原因时，更是如此。通常减少扬压力的方法有两种:①加强防渗;②加强排水。

2.1.1 加强防渗

加强坝基防渗，可采用补强帐幕灌浆或补做帷幕措施，对减少扬压力的效果非常显著。灌浆可在坝体灌浆廊道中进行，如图2(a)所示。当没有灌浆廊道时，可从坝顶上游侧钻孔，穿过坝身，深入基岩进行灌浆，如图2(b)所示。当既无灌浆廊道，从坝顶钻孔灌浆又困难，又不能放空水库时，也可以采用深水钻孔灌浆，如图2(c)所示。

图1 补强帷幕灌浆进行方式

2.1.2 加强排水

为减少扬压力，除在坝基上游，部分进行补强帷幕灌浆以外，还应在帷幕下游部分设置排水系统，增加排水能力。二者配合使用，更能保证坝体的抗滑稳定性。

排水系统的主要形式是排水孔，排水孔的排水效果与孔距、孔径和孔深有关，常用的孔距为2～3 m，孔径为15～20 cm，孔深为0.4～0.6倍的帷幕深度。原排水孔过浅或孔距过大的，应进行加深或加密补孔，以增加导渗能力。如原有的排水孔受泥沙等物堵塞时，可采用高压气水冲孔或用钻机清扫以恢复其排水能力。

2.2 增加坝体重力

重力坝的坝体稳定，主要靠坝体的重力平衡水压力，所以，增加坝体的重力是增加抗滑稳定的有效措施之一。增加坝体重量可采用加大坝体断面或预应力锚固等方法。

2.2.1加大坝体断面

加大坝体断面可从坝的上游面改从坝的下游面进行。从上游面增加断面时，既可增加坝体重力，又可增加垂直水重，同时还可改善防渗条件，但需放空水库或降低库水位修筑围堰挡水才能施工，如图3(a)所示。从坝的下游面增大断面，如图2(b)所示，施工比较方便，但也应适当降低库水位进行施工，这样，有利于减少上游坝面拉应力。坝体断面增加部分的尺寸，应通过稳定计算确定，施工时还应注意新旧坝体之间结合紧密。

2.3 预应力锚固

预应力锚固是从坝顶钻孔到坝基，孔内放置钢索，锚索一端锚入基岩中，在坝顶另一端施加很大的拉力，使钢索受拉、坝体受压，从而增加坝体抗滑稳定。

图2 增加坝体断面的方式

用预应力锚固来提高坝体抗滑稳定性，效果良好，但具有施工工艺复杂等缺点。且预应力可因锚索松弛而受到损失。对于空腹重力坝或大头坝等坝型，也可采用腹内填石加重，不必加大坝体断面。

2.4 增加摩擦系数

摩擦系数大小与坝体和地基的连接形式及清基深度有关。对于原坝体与地基的结合，只能通过固结灌浆的措施加以改善，从而提高坝体的抗滑稳定性，除此之外，通过固结灌浆还能增强基岩的整体性和其弹性模数，增加地基的承载能力，减少不均匀沉陷。

固结灌浆孔的深度，在上游部分坝基中，由于坝基可能产生拉应力，要求基岩有较高的整体性，故对钻孔要求较深，约8～12 m。在坝基的下游部分，应力较集中，也要求较深的固结灌浆孔，孔深也为8～12 m，其余部分可采用5～8 m的浅孔。

2.5 减小水平推力

减小水平推力可采用控制水库运用和在坝体下游面加支撑等方法。

2.5.1 控制水库运用

控制水库运用主要用于病险水库度汛或水库设计标准偏低等情况。对病险库来讲，通过降低汛前调洪起始水位，可减小库水对坝的水平推力。对设计标准偏低的水库，通过改建溢洪道，加大泄洪能力，控制水库水位，也可达到保持坝体稳定的作用。

2.5.2 坝体下游面加支撑

坝体下游面加支撑，可使坝体上游的水平推力通过支撑传到地基上，从而减少坝体所受的水平推力，又可增加坝体重力。支撑的形式如图3所示，可根据建筑物的形式和地质地形条件加以选用。图3(a)是在溢流坝下游护坦钻孔设桩，通过桩将部分水平推力传到河床基岩上;图3(b)是非溢流坝的重力墙支撑;图3(c)是钢筋混凝土水平拱支撑。