格八拱坝加固设计主要问题研究

李 莎，罗代明

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳 550002）

1 前言

1.1 工程概况

格八水库建成于1974年，设计正常蓄水位1 155.93 m、死水位1 139.20 m，总库容1 000 万m3，属中型水库工程，主要任务是灌溉、发电、防洪。水库枢纽工程由拦河坝、坝顶溢洪道、引水发电及灌溉系统组成。大坝为浆砌石单曲拱坝，最大坝高31.1 m，坝顶弧线长113 m，坝顶宽2 m，底厚12 m。溢流表孔位于坝顶中部，溢流前缘净宽30 m，设6孔5 m×3.8 m平板钢闸门，跌流消能。

2007年对大坝进行安全鉴定，存在的主要问题之一是原有泄洪能力不足，使坝高不能满足防洪标准要求；溢洪道堰型不合理，宣泄较大流量时堰面真空度较高，导致坝体震动。因此，确定对大坝进行除险加固。

1.2 加固设计及主要问题

加固设计中，为解决泄洪能力不足和泄洪时坝体振动问题，经多方案比较，最经济的方法是加高大坝，即在原坝顶以上加高1.2 m，同时局部改造溢洪道和进行坝体坝基防渗灌浆处理。大坝加高方式采用后帮整体式，也就是在老坝体下游全面加厚，从坝基面开始加厚新坝体至坝顶部，以满足坝体的应力和稳定要求；结合溢洪道改造，坝体加厚材料采用C15 混凝土。新老坝体结合面采用人工凿毛处理、增设砂浆锚杆、接缝灌浆等，以保证加厚混凝土与原坝体结合良好。加固设计横剖面，如图1所示。

基于拱坝的特殊性，采用后帮整体式加厚加高拱坝，最主要的问题是新老坝体能否形成整体联合受力，新旧坝体不同材料、不同施工时机对拱坝应力的影响，新混凝土水化热对老坝体温度应力的影响，新老坝体结合面应力状态及其相应处理措施等。这些问题如果处理不好，将使加固工程失败，留下新的不安全隐患。笔者就不同施工期水位，对加固后运行期老坝体应力状态、新老坝体结合面应力状况以及处理方法进行简要介绍。

图1 大坝加固设计剖面

2 分析手段与模型

加固方案拟定后，首先面临的是对坝体应力状态的分析，必须准确了解老坝体加固后的应力状态和应力变化情况。由于本工程坝型为相对复杂的拱坝，老坝体的材料是水泥砂浆砌块石，应工期要求新坝体采用C15 常态混凝土，两种材料的力学特性差异较大，传统的结构力学计算手段已不能适用。另外，本工程属加固性质，如果为使施工期不影响水库正常功能的发挥，即施工时水库正常蓄水，原坝体将处于变形状态；施工完毕后，运行期水库水位回落，老坝体变形回弹又会受到新坝体约束。这些都将会造成老坝体的应力恶化。基于以上原因，传统的拱坝计算手段已不再适用，以有限元为基础理论的现代先进计算机模拟计算技术就成了首选。

本工程全部计算均在大型结构分析软件ADI⁃NA 平台上实现。该软件是基于有限元技术的大型通用仿真平台，除了能求解线性问题外，还具有分析非线性问题以及求解结构和涉及结构场之外的多场耦合问题。

根据本工程的实际情况，按坝体的实际体型进行建模。采用8节点6面体等参单元分别对新老坝体及基础进行有限元离散。三维有限元整体网格模型，如图2所示。

图2 坝体三维有限元网格全视

3 老坝体应力状态分析

格八水库的首要任务是灌溉，如果施工期不蓄水，将不能保障来年农田灌溉。但如果施工期不降低水位，又有可能使得加固后运行期的坝体应力恶化。因此，在保证工程安全的前提下，选择合适的施工期控制水位，就必须要进行大量的计算分析，以便将坝体的应力状态控制在允许范围内。

3.1 计算工况

为了简化工作，分析计算工况时，仅考虑了施工期可能的两种极端水位，即正常蓄水位和死水位。分别以这两种水位为施工期控制水位。加固完成后，水库运行期也考虑正常蓄水位与死水位，相互组合形成4种控制性计算情况。

（1）在正常蓄水位下加固，运行期坝体在正常蓄水位与温降条件下的运行工况。

（2）在正常蓄水位下加固，运行期水库水位由正常蓄水位回退到死水位时，坝体在死水位与温降条件下的运行工况。

（3）在死水位下加固，运行期坝体在正常蓄水位与温降条件下的运行工况。

（4）在死水位下加固，运行期水库水位由正常蓄水位回退到死水位时，坝体在死水位与温降条件下的运行工况。

计算中按照坝体稳定温度场施加温度荷载，其他荷载计算均遵循常规方法。考虑结合面为刚性连接，不产生有害相对位移。

3.2 计算成果分析

（1）在正常蓄水位下加固，运行在正常蓄水位。计算结果显示加固后老坝体上游面的应力分布规律与加固前大致相似，但极值发生变化，第一主应力大部分为压应力，最大压应力发生在1 137.43 m高程，为0.160 MPa，受拉区主要分布在左、右两坝肩区域，最大值为1.450 MPa。第三主应力基本为压应力，最大压应力出现在坝踵处，为1.430 MPa，受拉区域主要分布在左、右两坝肩处，应力值不大，最大值为0.406 MPa。

加固后老坝体下游面第一主应力全为拉应力，最大值为1.340 MPa，大于加固前的1.07 MPa，约上升25%。第三主应力基本为压应力，最大值为2.370 MPa，小于加固前的3.410 MPa，约下降30%，出现高程相同。

（2）在正常蓄水位下加固，运行水位由正常蓄水位回退至死水位。水位回落至死水位后，上游坝面第一主应力中，最大压应力值为0.159 MPa，小于加固前上游坝面相应应力值，约下降50%。最大拉应力值为1.211 MPa，大于加固前上游坝面最大拉应力值，约上升25%。

加固后坝体下游面第一主应力全为拉应力，最大值为1.481 MPa，大于加固前的1.063 MPa，约上升40%，出现高程也比加固前高。第三主应力基本为受压，最大值为1.730 MPa，小于加固前的2.314 MPa，约下降25%，出现高程相同。

（3）在死水位下加固，在正常蓄水位下运行。在死水位施工条件下，正常蓄水位下运行，老坝体上游面的应力分布规律与正常蓄水位施工条件下坝体上游面应力分布规律相似，但应力极值不同。

老坝体上游坝面第一主应力基本为压应力，最大压应力发生在1 132.43 m 高程，为0.294 MPa，受拉区主要分布在左、右两坝肩区域，最大值为1.271 MPa。第三主应力基本为压应力，最大压应力出现在1 124.83 m 坝踵处，为1.412 MPa，受拉区域主要分布在左、右两坝肩处，但应力值不大，最大值为0.192 MPa。

加固后坝体下游面第一主应力全为拉应力，最大值为1.457 MPa，大于加固前的1.070 MPa，约上升36%，出现高程也比加固前高。第三主应力基本为受压，最大值为2.470 MPa，小于加固前的3.410 MPa，约下降27%，出现高程相同。

（4）在死水位下加固，运行水位由正常蓄水位回退至死水位。这种情况下老坝体上游面的应力分布规律与前述第（2）种情况坝体上游面应力规律大致相似，但极值发生变化。

老坝体上游坝面第一主应力基本为压应力，最大压应力发生在1 132.43 m高程处，为0.325 MPa，受拉区主要分布在左、右两坝肩区域，最大值为1.213 MPa。第三主应力基本为压应力，最大压应力出现在1 124.83 m坝踵处，为1.179 MPa，小于正常蓄水位施工条件，约下降17%，受拉区域主要分布在左、右两坝肩处，应力值不大，最大值仅为0.056 MPa。

加固后坝体下游面第一主应力全为拉应力，最大值为1.471 MPa，大于加固前的1.063 MPa，约上升39%，出现高程也比加固前高。第三主应力基本为受压，最大值为1.840 MPa，小于加固前的2.314 MPa，约下降22%，出现高程相同。

总之，与正常蓄水位条件下加固施工相比，死水位条件下施工，上下游面主应力分布规律大致相似，上游面各高程上的第一、三主应力值均比正常蓄水位施工条件下相应值要小。而下游面上，死水位施工条件下的第一主应力值比正常蓄水位施工条件下相应值略大，但拉应力分布范围更小，第三主应力值略小。

4 新老坝体结合面应力状态及处理措施

在拱坝设计中，完建后的坝体中部应力状态，不是设计者关注的重点。但对于后帮整体式加固的格八水库大坝来说，特别是新老坝体采用了不同特性的材料，其受力特征不同，加固后需要达到联合受力的状态，就必须要对结合面进行适当的处理。因此，结合面的应力状态就成为加固工程的重点分析内容，特别是结合面上的正应力和剪应力直接影响着处理措施方案。结合面上的应力计算，其手段和工况与前述加固后老坝体应力分析相同。

4.1 结合面法向正应力

在正常蓄水位下加固，运行在正常蓄水位时，坝顶高程以下约1/3 高度区域为压应力，最大压应力为0.137 MPa。坝中部局部有压应力出现，数值较小，大部分为拉应力。坝体下部约1/3高度区域内全为拉应力，数值有所增大，最大拉应力为0.104 MPa。当库水位回退到死水位运行时，只在坝体中部以上靠近坝肩处以及坝顶处有局部压应力出现，数值不大，整个断面上基本为拉应力，随着高程降低，拉应力逐步增大，最大拉应力出现在坝底部，为0.132 MPa。

在死水位下加固、正常蓄水位运行时，整个断面上基本为压应力，最大值为0.144 MPa，在坝顶中部及起拱高程处有局部拉应力出现，拉应力数值很小，最大值仅为0.092 MPa。当水库水位回退到死水位运行时，断面的中部为压应力，在左右两端为拉应力，最大压应力出现在坝顶，为0.242 MPa。随着高程减小，左、右坝肩处拉应力值逐渐增大，最大值出现在坝底高程处，为0.122 MPa。

法向拉应力对结合面的法向位移影响较大，新老坝体要作为整体承载，应保证结合面完整不开裂。由以上分析看出，对比结合面法向拉应力，死水位加高方案更为合理。

4.2 结合面剪应力

结合面剪应力有横向剪应力和竖向剪应力。前述4 种情况下的剪应力有较大的变化，但绝对数值不高。

在正常蓄水位下加固、运行在正常蓄水位时，接触面横向最大剪应力发生在约1/3 坝高处，为0.243 MPa。当库水位回退到死水位运行时，同一位置最大剪应力降为0.149 MPa。

在死水位下加固、运行在正常蓄水位时，接触面横向最大剪应力同样发生在约1/3 坝高处，为0.394 MPa。当水库水位回退到死水位运行时，最大横向剪应力降为0.259 MPa。

竖向剪应力一般是由新坝体自重引起的，当新坝体结构自重过大使得结合面上竖向剪应力值超过抗剪强度时，新老坝体就会沿结合面产生切向错动。本工程加高幅度不大，仅有1.2 m，计算结果显示，结合面竖向剪应力数值较小，最大竖向剪应力为0.07 MPa，对结合面错动影响不大。其原因在于新坝体结构自重有限，不会因自重产生较大的竖向剪应力，且新坝体是在老坝体的混凝土支墩上修建的，老坝体基础承担了部分的自重，导致新坝体结构自重对于结合面的错动影响较小。

4.3 结合面处理措施

从分析结果可以看出，施工期控制库水位无论是在正常蓄水位还是在死水位，当施工结束投入运行后，水库上游水位在各种变化情况下，新老坝体结合面的应力水平均较小。法向拉应力最大值仅为0.132 MPa，最大剪应力为0.394 MPa。新混凝土与老坝体间只要保证接触面的粗糙和干净，粘接强度可以满足要求。

从工程安全角度出发，设计中选择了相对安全的死水位作为施工期控制水位；在工程措施上，采用老坝体下游坝面人工凿毛，并在新老坝体结合面布置Φ20水泥砂浆锚杆（间距1.5 m、根长2.25 m，锚入老坝体1.45 m，锚杆按梅花型布置），对新老坝体结合面作接缝灌浆处理，以保证加厚混凝土与原坝体结合良好。

5 结论

对于拱坝采用整体后帮式加厚加高的加固设计方案来说，完工后的老坝体应力状态和新老坝体的结合问题是设计的关键之一。经过详细的老坝体和结合面应力分析后，充分掌握了老坝体和新老坝体结合面的应力状态，为采取合理的工程措施提供了充分的依据。经过对老坝体和结合面采取合适的工程措施，加高后新老坝体完全能作为一个整体承受蓄水后所施加的荷载。同时，确立了施工期以死水位为加固施工控制水位是最佳选择。

实际工程中施工期选择尽量降低水库水位和对结合面进行加强凿毛、增加抗拉（剪）砂浆锚杆以及新坝体设置充分的坝体降温措施等，顺利地完成工程加固任务，解除了水库的安全险情。水库于2011年投入运行，目前状况良好，取得了良好的社会及经济效益。