浆砌石重力坝的安全评价分析

2015-03-22张雄华

湖南水利水电 2015年5期

张雄华

（湖南科宏建设开发有限公司长沙市 410007）

1 我国浆砌石坝的发展

砌石坝是由一定规格要求的石料经浆砌或干砌而成的一种挡水建筑物，浆砌石重力坝主要是依靠自身重量保持坝体稳定和满足设计要求强度。建国以来，浆砌石重力坝广泛应用于水利工程中，中小型水利枢纽多集中在平原、丘陵地区，其施工主要依据当地的自然条件及社会经济状况。随着水利工程规模的发展，水利设施必然向着山区、平原、丘陵地区延伸，这些地区难以找到适合的溢洪道位置，洪水陡起陡落、施工导流困难、劳动力短缺、工期周期长、交通不便等一些因素促成了浆砌石大坝有较大的发展。据统计，我国坝高在15m 以上的浆砌石重力坝多达2 000 多座，其中河南群英坝是世界最高浆砌石重力坝，坝高100.5m。

2 浆砌石重力坝的构造

用水泥、白灰等胶结材料砌筑块石而形成的坝胶浆砌石坝，承受的外力主要是按三角形分布的上游水压力。为保证坝体有足够的稳定性、强度、刚度等要求，自上游水面向下，随着水压力强度加大，坝的横断面也逐渐加宽成为三角形。另外，考虑到施工和运行等方面的要求，坝的横断面形状还需适当加以修改。

2.1 防渗措施

浆砌石重力坝在运行过程中，由于上下游水头差的作用，水流将通过坝体和坝基产生向下游的渗漏。

（1）坝体防渗措施。为了阻止水流渗入坝体，应注意施工质量，使砌体密实，防止因干缩、震动使砌体形成裂缝并扩张。在小型工程中常采用浆砌条石防渗层，即在坝体的上游面，用水泥砂浆砌筑既坚固又不易风化的条石和料石，砌缝宽度控制在（1～2）cm 之间。在迎水面可将条石间的缝凿成宽（4～5）cm，深3 cm 的梯形槽，并用75#和100#水泥砂浆仔细勾缝，这种防渗措施简单易行，但由于砂浆干缩以及本身具有透水性等原因，仍会出现漏水现象。

（2）坝基防渗措施。为减少由于坝基渗漏产生的不利影响，除基岩较完整及坝高较小的情况外，一般均须采取一定的坝基防渗措施。小型浆砌石重力坝，在基岩上多采用防渗墙，即在沿上游坝址的基岩中开挖一条深槽，槽中回填混凝土，以形成一道不透水的齿墙，齿墙深度一般为（1～3）m，在非基岩上多设粘土铺盖防渗。

2.2 排水措施

为把进入坝体及坝基的渗水迅速排走，需采用排水措施。对小型浆砌石坝，如坝的上下游水位差不大，也可不设排水设施。坝体排水是在距坝体上游面或坝体防渗墙后（2～5）m 处设一排竖向排水管，管顶与最高库水位齐平，竖向排水管收集的渗水通过集水沟，再由横向排水沟排出坝体。为减少渗透和排水压力，可在坝基设置排水孔，以减少对坝体的扬压力。排水孔离上游防渗面板的距离应不小于3 m，渗水引至坝体集水管内排走。为了加快施工进度，小型砌石坝可设置坝基面排水沟，即沿坝底与基岩接触面设置纵、横向排水沟以消除坝基渗水。

2.3 浆砌石重力坝的分缝处理

浆砌石重力坝是用水泥砂浆砌筑块石而成的，由于砌体的水泥较少，受温度变化和水泥凝固干缩的影响不大，一般情况下可不分缝。当坝顶较长或在地形地质条件变化较大处，以及和相邻建筑连接处，需设置贯穿坝体的横缝，以适应坝体伸缩和沉陷变形。缝的间距一般为（30～50）m 或更长，缝宽为（1～2）cm。横缝位置应与迎水面防渗板的伸缩缝相适应。

3 浆砌石重力坝破坏原因分析

浆砌石重力坝主要受温度、强度、变形、渗透破坏、失稳等问题的影响，可能会对坝体自身产生破坏，对此需要根据坝体自身结构有针对性地进行预防。

（1）温度控制。由于砌石坝每立方米砌体的水泥用量较常规混凝土坝少，因此无需采取散热或骨料预冷等复杂的温控措施，在施工过程中较易控制。由于砌体的砌筑上升速度较慢，散热条件好，故一般可考虑不分层分块砌筑。因而砌石坝与混凝土坝相比，可增大坝段间距，减小伸缩缝的数量，节省止水片和涂料填料，还可避免分缝灌浆。

（2）强度影响。浆砌石坝的强度是否达标是安全评价中最为关键的问题，浆砌石体在砌体石块之间的砂浆难以达到饱满密实，砂浆和石块表面存在空隙和孔洞。因此，其强度不单单取决于石块和砂浆的实际密度、含水量、砂浆饱和度，还与石料表面粗糙度、砂的质量和砌筑工艺等因素有关。浆砌石坝的强度包括抗压强度、抗拉强度和抗剪强度。砌体主要承受压力以抗压强度作为胶结材料主要强度指标。砌石坝的施工周期较长，在建成初期往往不会受到全部荷载。因此，如能合理有效地利用胶结材料的强度作为参数，在施工过程中加以利用，将大大提高浆砌石坝的安全性。

（3）变形问题。砌石坝是由石料和胶结材料共同组成的，胶结材料凝固后的弹性模量是直接影响砌体变形的主要因素。浆砌石体的变形主要是由于胶结材料的泌水和收缩等原因产生，这些因素影响下可能会导致接触面存在空气泡和缝隙，同时，石料与胶结材料的弹性模量不同的，使得在砌体受力后，在接触面上将产生应力集中。因此，选择胶结材料时，首先应尽可能选取与石料相近的弹性模量。若不能满足上述要求，而采用了与石料弹性模量相差较大的胶结材料时，则铺砌面应尽可能采用较为平整的条石或方正块石，以免引起砌体的受力不均匀。

（4）渗漏破坏。浆砌石坝蓄水后，将坝的下游面、坝后基础岩体及坝头接合部位有湿润冒水现象称为渗水。水工建筑物的主要功能是挡水，维持水库的水位平衡，由于砌石本身的防渗性能较差，在块石间缝隙难以用胶结材料全部填实，从而导致坝体漏水现象的出现。渗漏水严重将会对大坝挡水建筑物本身造成破坏，同时漏水还会对砌体产生溶滤和侵蚀作用，降低坝体强度，危及坝体安全。因此对渗漏处理是坝体工程较为重要的一个环节，是保证坝体工程的基础。

（5）失稳现象。浆砌石重力坝是大体积建筑物，与拱坝相比其剖面尺寸大，具有较大的自重。它是依靠自身的重量在地基上产生摩擦力以及坝与地基面间产生的粘结力来维持坝体在水压力和其他荷载作用下的抗滑稳定的。抗滑稳定的安全系数过小是浆砌石重力坝最危险的病害。砌石坝对基础地质地形要求比较高，两岸和谷底都必须是岩基，岩基要求具有一定的强度。对于有不同程度缺陷的天然地基需要进行处理，以满足坝基的强度、整体性、抗渗性和耐久性的要求。因此，在浆砌石重力坝设计中应考虑垫层混凝土与基岩接触面滑动，浆砌石体与垫层混凝土接触面滑动以及浆砌石体之间的滑动。

4 浆砌石重力坝安全评价

大坝安全评价主要依据水力学、结构力学、材料力学等原理，充分考虑运行及环境等因素，对大坝的施工情况、方案设计、工程状况进行详细的分析，及时监测并有效地进行预防与干预，并在大坝的整个生命周期内进行系统的安全评价分析。评价工作可通过结合大坝结构来进行，收集所有大坝记录、进行现场监测、当地环境记录、详细勘察，并在实验室进行测试，然后评价大坝性能并检查原始设计和施工记录，确保符合行业规范。评价工作应与大坝的重要性、设计保守性、工程的复杂性相适应。

浆砌石重力坝的安全评价可以从大坝安全检查、大坝安全监测资料分析和计算分析法三方面进行考虑。

（1）大坝安全检查是指大坝运行后，对其结构和运行安全可靠性进行检查，通过直观地检查大坝的位移、渗漏、变形等，及时发现大坝的异常现象，寻找可能存在的隐患和缺陷，及时提出补救措施和施工方案。

（2）大坝安全监测资料分析是通过对大坝安全监测资料进行整理分析，了解大坝的位移、变形、应力等观测值的变化规律、有无异常以及随着作用的荷载、时间、空间等因素变化的规律，并建立监测值或数学模型推算值与有关规范或设计、试验规定的允许值作比较，判断大坝结构安全状况。

（3）现今计算分析法可分为两类，即有限元法和按规范规定的方法，依据规范的计算值和允许值判断结构的强度和稳定是否满足设计要求，对于有监测系统的大坝，应优先使用监测资料进行相关性分析，并结合现场勘查及计算分析法来综合评价大坝的安全性；在无监测资料的条件下，可采用计算分析结合现场勘察和现场检测评价大坝的安全性，有效提高安全系数，从而保证大坝的安全。