东坑病险坝加固技术研究应用

李煊明

（福建省水利水电勘测设计研究院，福建福州350001）

1 工程概况

东坑水库总库容1 666万m3，大坝原设计为混凝土面板堆石坝，迎水坡坡比1∶0.5。坝体上游迎水面采用混凝土面板防渗，面板坐落在刚性浆砌石斜墙上，坝体下游侧为堆石体，背水坡为干砌石护坡，坝顶高程364.9 m，最大坝高42.0 m。东坑水库大坝1976年4月动工兴建，1980年6月建成蓄水。由于水库大坝施工时填筑质量差，密实度低，同时填筑坝体部分堆石料强度低，泡水后软化，在受挤压状态下易破碎，致使枢纽工程投入运行以来，大坝出现较大的位移及沉降变形、面板严重开裂，坝体漏水严重，最大渗漏水量达724.7 L/s。现场巡查发现坝体位移、沉降变形严重，下游坝面拱起，坝顶防浪墙往下游拱曲，据坝顶变形观测资料，防浪墙最大累积变形量达87 cm，上游面板纵横裂缝明显，坝顶下游侧沉降开裂。对大坝出现的沉降变形严重、面板开裂、坝体漏水等安全隐患，水库管理部门进行过几次工程加固处理，大坝经过几次应急加固处理后，短期效果比较明显，但整个坝体变形未趋稳定，随时间的推移，面板裂缝重新发展，同时坝体变形经过量的积累，进一步牵引面板的开裂，经过多年运行，大坝漏水更加严重。1987年和2001年，东坑水库两次被列为“病险”库，长期以来水库一直以限制水位的方式带病运行。针对水库大坝存在的问题和水库的重要性，需要对东坑水库大坝进行一次全面彻底的除险加固处理。

2 面板堆石坝结构及受力特点

面板堆石坝主要承受自重和水荷载，而自重荷载引起的变形大部分在水库蓄水前就已完成。根据一些面板堆石坝的原型观测，面板堆石坝沉降规律为：蓄水前坝轴线以下坝体，大部分已完成总沉降量的90%以上，靠近面板附近的坝体仅完成总沉降量的25%～70%不等，愈靠近上游坝坡，蓄水后产生沉降的可能性愈大。原型观测表明，在自重与水荷载的共同作用下，上游面附近的水平位移、垂直位移均比下游面附近的大，且水平位移比垂直位移大得多；除下游坝趾附近测点向外移动外，绝大多数测点都是向内移动，由此说明大坝体积受到压缩，并且坝体压缩主要集中在其上游部分。经分析，这是由于绝大部分水荷载是通过坝轴线以上坝体传到地基中去。根据坝体不同部位的受力情况和变形性状，坝体可填筑工程性质不同的坝料，愈往下游的堆石体对面板变形的影响愈小，坝料的变形模量可以从上游到下游逐级减小。面板坝正是根据坝体不同部位的变形性状和受力特点对坝体进行分区，从上游至下游依次分为垫层料区、过渡料区、主堆石区和次堆石区，主堆石区是面板坝承受水荷载及其它荷载的主要支撑体，绝大部分水荷载由主堆石体传入坝轴线上游的地基中。

3 东坑堆石坝加固技术原理

研究认为，东坑水库面板堆石坝在水荷载作用下虽经二十几年运行，堆石体变形仍未稳定，且变形呈跳跃式规律变化，其原因主要为原堆石体空隙率大，解决的根本办法在于如何减轻原堆石体承受的水荷载强度，使之与其承受能力相适应。根据面板堆石坝的受力变形特点，认为面板堆石坝主堆石区是大坝的主要支撑体，是水荷载传递至坝基的主要传力体，特别是大坝上游坝坡范围的主堆石区，由此可以采用在原堆石体上游侧增设主堆石区和新建防渗钢筋混凝土面板的有针对性的加固处理方案。通过增设主堆石区，将水荷载大部分转移到原坝轴线上游新建的主堆石区上，从而降低了原堆石区承受的水荷载。坝体加固剖面见图1。

4 大坝加固有限元计算分析

为确保选定的加固方案安全可靠，确保大坝加固后应力和变形满足规范要求，进行了加固面板堆石坝有限元计算分析，有限元计算网格如图2所示。同时为优化设计，节省除险加固工程投资，在确定上游新增面板堆石坝坝体断面时，设计考虑了将原坝轴线往上游分别平移6 m、9 m和12 m三个方案进行比较分析论证。有限元计算的主要结论如下：

（1）随着坝轴线向上游移动，蓄水后的坝体水平位移增量不断减小，坝体垂直位移增量也不断减少，坝轴线向上游移6 m、9 m和12 m三个加固方案蓄水后水平位移增量最大值分别为21 mm、16 mm和10 mm，垂直位移增量最大值分别为24 mm、19 mm和16 mm。2010年7月27日大坝实测最大沉降为18 mm，最大水平位移为18 mm，计算值和实测值接近。

图1 主坝横断面图Fig.1 Cross section of the main dam

（2）坝轴线向上游移6 m加固方案，蓄水期坝体应力水平为0.2～1.03，坝体材料抗剪强度略显不足；坝轴线向上游平移9 m和12 m两个加固方案在蓄水期坝 体 应力水平分 别 为 0.2～0.95 和 0.2～0.92，坝体材料抗剪强度可以满足要求，不会发生剪切破坏。从计算情况看，大坝加固选取坝轴线向上游移9 m方案，坝体变形、应力水平均较为合适；选取坝轴线向上游移12 m方案断面偏大。

图2 计算范围网格图Fig.2 Calculation grid

5 实施效果

东坑水库堆石坝除险加固于2008年10月8日开工，2010年2月通过下闸蓄水验收并投入运行。水库蓄水后，通过大坝沉降位移监测，大坝最大沉陷量为18 mm，最大水平位移值为18 mm，坝后量水堰测得的最大渗漏水量为1.95 L/s（库水位360.7 m）。相比水库除险加固前最大沉陷量734 mm，最大水平位移值871 mm，最大渗漏水量724 L/s，除险加固后大坝变形及大坝渗漏水量值均很小，除险加固效果良好，大坝恢复了正常运行。2010年8月20日东坑水库除险加固工程顺利通过竣工验收。

6 经验与体会

东坑水库大坝由于位移及沉降变形大且变形未趋稳定、面板严重开裂、大坝严重漏水等安全隐患，在除险加固方案设计过程中，结合水库大坝的坝型和结构特点，采用有针对性的除险加固方案，有效遏制了大坝原堆石体的变形，加固处理效果良好。设计主要经验、结论如下。

（1）根据东坑水库大坝存在的问题和大坝结构特点，设计采用在原堆石体上游侧增设主堆石区和新建钢筋混凝土防渗面板的加固方案。通过增设主堆石区，将水荷载大部分转移到原坝轴线上游新建的主堆石区上，从而降低原堆石区承受的水荷载。根据除险加固后大坝沉降变形观测和坝后渗漏水量观测，大坝变形及大坝渗漏水量值均很小，说明除险加固方案选择是正确的，工程经验可以在类似工程中推广应用。

（2）对于病险堆石坝，采用在其上游侧增设主堆石区和新建钢筋混凝土防渗面板的加固方案时，为有效、经济地进行加固处理，采用有限元计算手段进行多方案比较分析来确定上游侧最优加固断面是合适的，也是必要的。

[1]蒋国澄，傅志安，凤家骥.混凝土面板坝工程[M].武汉:湖北科学技术出版社.1997.

[2]刘庶华，何国连.株树桥水库大坝渗漏原因初步分析[J].水力发电，2003(2):65-68.

[3]易英仲，吴成源，韦孟康.堆石坝混凝土面板裂缝成因及防治 [J].广西水利水电，2006(3):72-75.

[4]何国连，刘庶华.湖南株树桥水库大坝的变形分析[J].人民长江，2003(12):37-38.

[5]钟家驹.石砭峪沥青混凝土面板坝除险加固[J].陕西水利水电技术，2005(1):18-23.