宽阔河谷上的拱坝加固方案

［俄罗斯］G.M.卡加诺夫 等

1 概述

开发一套可加固大坝的工程措施，如在不用完全放空水库的情况下进行大坝加固，对于频繁出现安全问题的大型混凝土坝来说是大有用场的。

结构复杂的簿型拱坝加固时会出现紧急情况，其承载能力和应力－应变状态与河床的特性密切相关，再加上坝体的裂缝，可能会对其强度和稳定性带来明显的影响。另外还应指出的是，拱坝的特性为上游面一般不出现拉应力。因此在大坝服役初期，加固这类坝的工程措施，最主要的就是增大上游面的垂直压应力，这样，当出现水平裂缝时，就能使这些裂缝不致张开，甚至扩散到尾水渠部位。

令人遗憾的是，还没有一种系统性的、切实可行的综合性研究成果来评估各种加固工程措施的有效性，及其对拱坝应力－应变状态和承载能力的影响。这种特殊的系统性研究，在初步研究或研究论证阶段，必需采集必要的相关信息，如各种型式的加固措施对拱坝应力－应变状态和承载能力的影响等等。在本文的研究中，已收集到某些大坝服役期的有关资料，如对英古力(Inguri I)坝，凯尔恩布雷恩(Kelnbrain)坝实施某种加固方案的物理模型研究资料。提出了适用于拱坝的单种加固方案(图1)，以及拱坝施工期封拱灌浆温度的优化方案。

2 所开展的研究

列出了以下研究项目:

图1 某拱坝加固方案

(1)审查与拱坝可能的加固方案有关的单项工程措施，逐项评估每种措施的作用，及其对拱坝应力－应变状态的综合影响，进而采取加大悬臂梁压应力的措施。

(2)审查各项工程措施，并评估每种措施对拱坝应力－应变状态的影响，调整由于下游面需将循环空气加热到所需温度(下游面设有一个专用护罩)所导致的温度变化引起的应力－应变状态的变化。

建议采用监测仪对一系列的拱坝，例如萨彦舒申斯克坝、英古力坝、奇尔克伊(Chirkey)坝等进行一定范围的监测。也可研究制定一些生态学家经常提到的可能的气候变化情形下所必需的加固措施。

研究主要针对建在宽阔河谷坝址的拱坝，提出了一种拱坝的加固方案。在各种不同的加固方案中，使用接触单元进行模拟，先分析大坝裂缝的开裂情形，然后用模型模拟高程50 m一带大坝的裂缝情况。分析过程中，考虑了以下荷载和影响因素:大坝自重、静水压力、反滤层、重力压力，以及上下游侧的温度变化等等。图2为整个大坝－坝基示意图。

图2 大坝－坝基示意

计算采用瑞士Z－Soil软件包。先建3D模型，运用Z－Soil软件包，将大坝模型划分为2 100个8节点单元。随后再进行坝基部分的划分(划分为9 800个8节点单元)，并将设计荷载和周边节点位移的边界条件进行分配。

下面列出了对建在宽阔河谷坝址的拱坝进行加固的单项工程措施，并对坝体应力－应变状态的影响作出了相应的评估。

(1)坝顶加固(上下游面的两侧);

(2)拱下游面加固;

(3)大坝下游面左岸断面的加固;

(4)下游侧两推力端的加固(上游侧也有可能存在类似的情况)。该研究中，加固选在出现最大值的一侧;

(5)解除上述措施的互相影响(除拱的推力端以外)。

在许多情况下，通过采取诸如增大拱坝坝顶和两推力端的刚度这类措施，即使应力－应变状态没有明显的改善，也能提高拱坝的承载能力。

应当提醒的是，采用多种其他工程措施以及簿壁张拉结构 ，包括出现有裂缝坝的加固(如丰塔纳(Fontana)坝及其他坝)，均应可行。图3和图4为加固拱坝所采用的工程措施及其结构净空尺寸示意。

图3 净空尺寸(单位:m)

图4 拱坝两推力端的加固(俯视图)

作为工程措施的一部分，应对温度变化对大坝应力－应变状态的影响，尤其是对上游面应力变化的影响进行评估。图5示出了拱冠梁的应力分布情况。

图5 拱冠梁的应力分布

分析这些研究成果，有可能估算出单项工程措施对拱冠梁上游面应力改善所起的作用。分析表明，这些措施相当有效，上游面增大的压应力如下:

(1)在高程0.0 m，压应力从0.05 MPa增大到1.55 MPa;

(2)在高程50.0 m，压应力从0.03 MPa增大到0.73 MPa。

3 结语

(1)考虑到施工和维修期间混凝土坝可能受到的损坏，如裂缝或施工缝开裂等等，最好制定出经应力－应变状态分析和研究后的各种工程措施和解决方案，备今后维修时采用。

(2)制定的上述工程措施和方案，主要是针对拱坝的，对于这些措施，目前既没有进行系统性的研究，也没有对其有效性进行评估，尚未形成整套分析成果。

(3)研究表明，采取各种工程措施后，拱坝上游面拱冠梁的压应力可能会增大，在本文的研究中，采取各种综合性工程措施后，压应力总计增大到1.55 MPa。在很多情况下，实际上是都能取得这种效果。

(4)研究表明，仅将大坝下游面加热，升高温度1℃和 23℃，上游面的压应力就会分别增大0.07 MPa和1.5 MPa。

(5)今后应开发出系统性研究程序，基于累积的研究成果，采取最新的工程措施加固服役中的拱坝，研究应不仅是针对开阔河谷坝址的拱坝，还应有更多的拓展。

(6)有必要开展类似的研究，以可对不仅能改善坝体的应力－应变状态，而且还能提高其承载能力的工程措施进行评估，评估中还应考虑地震效应。