香山拱坝除险加固方案及结构安全分析

2014-12-08杨行运信阳市水利勘测设计院

河南水利与南水北调 2014年18期

□杨行运（信阳市水利勘测设计院）

1 基本情况

香山水库于1969年开工建设，1972年建成使用。坝顶高程168.00m，最大坝高65.50m，防浪墙高1.05m，坝顶长214.0m，宽5.50m，坝轴线处半径R=172m，最大中心角φ=71°17′12″。大坝原设计为浆砌石重力坝，桩号0+099～0+129间为溢流坝段，当砌筑至113.00m高程时，为节省材料和工程投资，工程技术人员决定将坝型修改为重力拱坝，取消溢流坝段。由于建筑材料奇缺，施工用水泥品牌混杂，当施工至135.00～140.00m高程时，又采用砖灰代替水泥拌浆砌筑，施工质量很差。“75.8”洪水后，对拱坝进行了补强灌浆处理，在坝后坡113.00～135.00m高程间加砌浆砌石配重，在135.00m和113.00m高程处分别设有4.00m和3.15m宽的平台各1道。又经过几十年的运行，大坝右坝肩和坝体中部各有3条横向应力裂缝，缝宽4～6mm，裂缝由坝顶延伸至坝背坡157.00～135.00m高程处，向上游面延伸至160.00m高程处。大坝空隙率大，溶蚀、渗漏严重，坝顶裂缝，对水库安全运行构成一定威胁。

2 除险加固方案

2.1 坝体补强灌浆加固

坝体补强加固灌浆采用满足大灌入量、浆液具有较高塑性屈服值和高塑性粘度值的灌浆工艺和可控性强的灌浆材料，主要目的是实现在大空隙砌石体中浆液有针对性的扩散。

拱坝坝体灌浆分为3个工作区：①坝顶作业区：布置2排灌浆孔，排距2.0m。上游排为直孔，最大孔深57.50m，终孔孔距为3.00m，钻孔至廊道顶部；下游排为倾向下游的斜孔，与水平方向夹角85°，最大孔深66.75m，终孔孔距为4.00m，钻孔底部深入基岩以下1.00m处；②廊道作业区：布置3排灌浆孔，均位于排水孔上游侧。1排仰斜孔(仰角50°)、1排水平孔(俯角0°)、1排向下斜孔(俯角60°)。仰斜孔、水平钻灌孔孔距4.00m，最大孔深10m；下斜孔孔距2.00m，最大孔深13.50m；③坝后作业区：在135.00m高程平台布设2排灌浆孔，排距3.00m。分别向上、下游倾斜，倾角均为75°，孔距3.0m，最大孔深34.80m。

2.2 面板防渗处理

将136.00m至坝顶168.00m高程间原混凝土防渗面层进行凿毛并冲洗干净后，在其表面重新浇筑一层厚600mm的C25钢筋混凝土防渗面层，加厚的混凝土防渗面层与原坝体采用锚筋固结。

2.3 坝肩绕渗处理

坝肩采用帷幕结合固结灌浆进行处理。沿坝顶作业区2排灌浆孔轴线向两坝肩各20.00m范围内布设2排灌浆孔，排距和孔距均为2.00m，钻灌孔深均为20.00m，分三序孔施灌。

3 拱坝结构安全分析

3.1 应力分析

拱梁分载法是我国应力分析的主要方法。多拱梁应力分析法采用中国水利水电科学研究院编制的五向调整多拱梁法程序ADASO计算。

3.1.1 计算简图

拱坝计算平面图见图1，多拱梁计算网络图见图2。

3.1.2 计算参数

图1 拱坝计算平面图

图2 多拱梁计算网格图

考虑以下几种荷载：a、坝体自重；b、水压力；c、水重；d、扬压力；e、沙压力。不计地震力作用，为简化计算，暂不考虑浪压力。设计洪水位166.41m，相应下游水位108.00m；校核洪水位167.50m，相应下游水位108.80m；年平均气温27.60℃，一月平均气温2.00℃，7月平均气温15.20℃；经试验确定：加固前坝体容重为20.5kN/m3，加固后坝体容重为22.0kN/m3。淤沙高程114.00m，淤沙浮容重7.00kN/m3，内摩擦角12°；砌体弹性模量 5.00GPa，热胀系数 0.50×10-5/℃；基岩弹性模量：20.00Gpa。

3.1.3 计算工况

工况1：设计洪水位+温升，坝体容重γ＝20.50kN/m3；工况2：校核洪水位+温降，坝体容重γ＝20.50kN/m3；工况3：设计洪水位+温升，坝体容重γ＝22.00kN/m3；工况4：校核洪水位+温降，坝体容重γ＝22.00kN/m3。工况1、2为加固前的工况，工况3、4为加固后的工况。

3.1.4 应力计算成果

应力计算成果见表1。

表1 多拱梁应力计算成果表(MPa)

计算成果表明：拱坝总体应力水平较低，最大压应力1.6MPa，最大拉应力0.7MPa，满足有关规范对容许压应力和控制拉应力的要求。拱坝加固前存在的问题不在于计算的应力水平太高，而是坝体质量差，不能承受规范要求达到的0.7MPa的拉应力。拱坝灌浆后自重增加，最大主压应力稍有增加，最大拉应力变化不大，由于坝体质量差的提高，可以承受0.7MPa的拉应力。

3.2 坝体抗滑稳定分析

3.2.1 计算公式

按照《砌石坝设计规范》中的公式计算坝体抗滑稳定，计算公式如下：

式中：K1—按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f'—滑裂面上的抗剪断摩擦系数；c'—滑裂面上的抗剪断凝聚力，kPa；A—滑裂面面积,m2；N—垂直于滑裂面的法向力，kN；T—沿滑裂面的切向力，kN。

3.2.2 计算参数

考虑如下几种荷载：a、坝体自重；b、水压；c、水重；d、沙压；e、沙重；f、扬压力。不计地震力作用，为简化计算，浪压力忽略不计。

坝体的补强灌浆效果体现在如下几个方面：①提高了砌石体的容重，经试验确定，坝体容重由加固前的20.5kN/m3提高到加固后的22.0kN/m3；②恢复了砌体强度，凝聚力c/值由加固前的333kN/m2提高到500kN/m2；③提高了上游坝面和帷幕的防渗性，使扬压力减少，排水帷幕处的扬压力折减系数由加固前的0.40减低至0.25；④可提高拱向承载力，从而减少梁向承载力，梁向分载系数可由加固前的0.86减少到0.75。淤沙浮容重取7.0kN/m3，侧压力系数为0.65。加固前（后）的计算参数见表3－2。

表2 除险加固前（后）的计算参数表

3.2.3 计算工况

设计工况：上游设计水位166.41m，下游水位108.00m，淤沙高程114.50m；校核工况：上游校核水位167.50m，下游水位108.80m，淤沙高程114.50m；加固前计算分载系数为0.86时设计、校核工况的稳定安全系数；加固后计算分载系数分别为0.86、0.75时设计、校核工况的稳定安全系数。

3.2.4 稳定计算结果

分别选取102.51～152.50m等16个高程界面处计算出加固前后的安全系数详见表3。由其设计工况加固前（0.86）、加固后（0.86、0.75）的安全系数绘制出加固前、后安全系数比较图，见图3。

表3 各断面稳定计算剪断安全系数表

图3 加固前、后安全系数比较图

计算结果表明：除险加固前各种工况时沿建基面的抗滑稳定安全系数均＞3.00，满足《砌石坝设计规范》要求，但是沿坝体内层面的抗滑稳定安全系数(103.10～122.50m高程间)均小于规范要求的校核工况2.50、设计工况3.00的要求，安全系数最小值出现在103.10m的高程处；除险加固后沿建基面及沿砌石层面的抗滑稳定安全系数均大幅度提高，当分载系数分别为0.86、0.75时，安全系数比加固前（梁向分载系数0.86）分别提高0.70、1.20以上，各部位的抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

4 结语

4.1 承受应力能力改善

经计算，加固前最大压应力1.60MPa，最大拉应力0.70MPa，满足有关规范对容许压应力和控制拉应力的要求，但由于坝体质量差，不能承受规范要求达到的0.7MPa的拉应力；除险加固后自重增加，最大主压应力稍有增加，最大拉应力变化不大，由于坝体质量的提高，完全可以承受0.70MPa的拉应力。

4.2 抗滑稳定系数提高

由于施工质量差、坝体空隙率高，又经过几十年的溶蚀，砌体的抗剪能力明显降低。沿坝体内层面的抗滑稳定安全系数严重不足（103.10～122.50m高程间）；除险加固后，由于砌体的抗剪强度提高、渗透压力减少及自重增加，拱的作用也加强了，坝体的抗滑稳定显著提高，设计工况K1=3.55，校核工况K1=3.35，满足规范要求。