混凝土大坝加高主要技术研究及工程实践

2015-12-30沈凤生1张小厅

水利规划与设计 2015年6期

关键词：键槽闸墩坝段

沈凤生1，张小厅

（1.水利部水利水电规划设计总院，北京100120；2.南水北调中线水源有限责任公司，湖北十堰442000）

混凝土大坝加高主要技术研究及工程实践

沈凤生1，张小厅2

（1.水利部水利水电规划设计总院，北京100120；2.南水北调中线水源有限责任公司，湖北十堰442000）

本文介绍丹江口大坝加高过程中初期混凝土坝检查、处理，以及新老混凝土结合相关的主要技术问题研究和工程实践。

混凝土大坝加高；缺陷检查处理；裂缝；新老混凝土结合

1 基本情况

丹江口水利枢纽位于湖北省丹江口市汉江干流上，具有防洪、供水、发电、航运等综合利用效益，是开发治理汉江的关键工程，同时也是南水北调中线的水源工程。初期工程1967年7月大坝开始拦洪，11月下闸蓄水，1968年10月第一台机组发电，1973年底全部建成。河床混凝土坝水下部分（高程100m以下）已按后期最终规模正常蓄水位170m兴建，两岸混凝土坝及土石坝按初期规模建设。初期工程大坝坝顶高程162m，水库正常蓄水位155m。1975年开始将初期工程正常蓄水位提高到157m。

初期工程坝轴线总长2494m，由河床混凝土坝及两岸土石坝组成。坝顶高程162m，最大坝高97m，其中混凝土坝长1141m，左、右岸土石坝长分别为1223m和130m。混凝土坝共分58个坝段，自右向左分别为右岸联接坝段（右13～右1，1～3左，3右～7）长339m；河床坝段（8～32）长582m，由泄洪深孔坝段（8～13坝段）、溢洪表孔坝段（14～24坝段）、电站厂房坝段（25～32坝段）组成；左岸联接坝段（33～44）长220m。其中，溢流坝段除18坝段外，每个坝段设置两个宽8.5m的开敞式溢流表孔，18坝段在施工时兼作纵向围堰，运行期泄洪时作为下游隔墙；3左、3右两坝段为升船机坝段，右13坝段与右岸土石坝联接，插入土石坝内。左岸土石坝长1223m，为粘土斜墙和粘土斜心墙砂壳土石混合坝；右岸土石坝长130m，为粘土心墙土石混合坝。

根据南水北调中线一期工程可行性研究总报告，要求加高丹江口水利枢纽大坝，将水库正常蓄水位从157m抬高至170m，坝顶高程176.6m，相应兴利库容增加116亿m3。

混凝土坝段加高时，坝体基础位于高程100m以下的，仅需对坝体上部进行加高培厚施工；对于基础位于高程100m以上的，需要将坝基加宽后进行加高陪厚施工。混凝土坝除右13～右11三个坝段不加高外，其余坝段均需加高。大坝加高后两岸土石坝坝型不变，左岸土石坝进行了培厚加高，坝轴线长增加到1424m，最大坝高71.6m；右岸土石坝改线重建，新坝坝轴线长877m、最大坝高60m。加高后大坝轴线总长3442m。

丹江口大坝加高，需要对初期工程大坝进行全面的检查和缺陷处理，并解决大坝加高中新老混凝土结合问题。本文重点介绍初期工程混凝土坝的缺陷检查、处理，以及新老混凝土结合相关的主要技术问题研究和工程实践。

2 初期工程混凝土坝缺陷检查、分析及处理

2.1 缺陷检查

由于初期工程混凝土施工是在特殊历史条件下进行的，且加高前已运行40多年，混凝土坝段存在裂缝、层间缝以及低强混凝土区等缺陷，这些缺陷将影响大坝结构的耐久性、安全或正常运行，因此需要在加高工程开工后，结合施工对初期工程缺陷作全面的检查及处理。主要进行了如下六个方面的检查工作：

（1）表面裂缝检查。对大坝下游面、坝顶、上游面水上区域的裂缝情况进行全面的检查，查清所有裂缝的外观描述性参数、裂缝的深度和连通性。对于上游坝面泥沙淤积高程以上的水下区域，采用一般性检查和重点检查结合的方式，即结合坝体排水廊道渗水裂缝、坝体排水孔渗漏检查情况，分析判断是否存在贯穿上游面的裂缝，当可能存在贯穿上游面的裂缝或渗漏弱面时，根据上游坝面裂缝可能位置确定水下检查重点区域；采用潜水员水下清理并用水下录像设备进行检查，一般性检查采用抽条带方式进行检查，保证每个坝段水下有1～3条水平检查条带，2～3个竖向条带，发现裂缝跟踪检查。上游坝面泥沙淤积高程以下、孔口和坝面轮廓突变处的区域不具备检查条件，主要在坝体廊道内进行排查。

（2）廊道裂缝检查。查清廊道内所有裂缝的外观形状和裂缝的深度，对于渗水、析钙裂缝，要求查清其渗水析钙裂缝的渗源、渗水量、缝内渗压力及其与水库水位的相关关系，并对渗水进行水质分析。

（3）层间缝检查。查清所有层间缝的分布及范围，以及层间缝力学和抗渗性能。通过钻孔取芯揭示坝体层间弱面的状况，结合施工记录资料分析层间缝与长间歇、停仓、冷缝的对应关系；通过芯样试验，研究层间弱面的力学特性，确定层面抗剪强度参数；根据层间弱面的分布特点、层面抗剪强度参数，复核大坝不同高程层面的抗滑稳定性。

（4）混凝土质量核查。根据初期大坝施工及混凝土缺陷处理资料，选择存在冷缝、架空、强度不合格混凝土区等质量问题的典型部位，进行抽样检查，核查冷缝缝面结合状况、架空混凝土处理效果、强度不合格混凝土的现状强度等。

（5）止排水系统检查。包括大坝的横缝止水和坝体排水孔的工作状况，对局部渗水量较大或析钙较为严重的排水孔，查明原因或渗水通道，并对排水廊道分部位进行系统的渗水量量测。

（6）防渗帷幕检查。通过资料收集和分析、钻孔检查和测试、室内试验等工作，在分析初期坝防渗帷幕耐久性基础上，确定防渗帷幕需要补强的区域。

2.2 主要缺陷检查结果

检查结果表明，初期工程混凝土坝主要缺陷为裂缝，裂缝较多且存在危害性裂缝；坝体内混凝土存在局部低强；坝体排水系统基本正常，部分防渗帷幕需进行补强或改建。

根据初期坝的特点，将混凝土裂缝分为四类。Ⅰ类：缝宽小于0.2m m，缝深小于等于0.3m，性状表现为龟裂或呈细微规则特性；Ⅱ类：表面浅层裂缝，缝宽0.2～0.3m m，缝深0.3～1m，平面缝长3～5m；Ⅲ类：表面深层裂缝，缝宽0.3～0.5m m，缝深1～5m，缝长大于5m，或平面大于、等于三分之一坝块宽度，侧面大于1～2个浇筑层厚；Ⅳ类：缝宽大于等于0.5m m，缝深大于5m，侧（立）面长度大于5m，平面上贯穿全坝段的贯穿裂缝。已检查出的Ⅱ类及以上裂缝统计条数为3248条，总长度为34560m，其中Ⅳ类裂缝306条，缝长7743m。危害性裂缝主要有2～右6坝段上游面高程142～157.5m之间水平层间缝；3～7坝段坝顶纵向裂缝；18坝段上游面竖向裂缝等。图1为主要危害性裂缝位置示意图。

2.3 裂缝影响分析及主要处理措施

在分析裂缝对大坝加高工程的稳定、结构应力、防渗性能等影响的基础上，根据裂缝所在部位的环境条件选择合理的处理措施。非迎水面Ⅰ类裂缝一般不作处理，Ⅱ类裂缝视具体情况，重要部位进行缝口处理，必要时进行浅层灌浆，贯穿上游面的Ⅰ、Ⅱ类裂缝均进行缝口防水处理；新老混凝土结合面上的Ⅲ、Ⅳ类裂缝均设置过缝钢筋，贯穿上游面的Ⅲ、Ⅳ类裂缝设置可靠的堵漏和排水减压措施。裂缝处理后，对主要裂缝处理效果进行监测。

2.3.1 水平层间缝对大坝稳定的影响分析及处理措施

坝体存在水平层间缝时，一方面降低了缝面混凝土的力学性能，另一方面库水进入贯穿上游面的水平裂缝，会在缝内产生扬压力，降低大坝沿缝面的抗滑稳定安全度。对发现的水平层间缝进行的抗滑稳定分析表明，渗水压力在坝体排水帷幕处折减系数不高于0.5时，所有坝段沿层面的抗滑稳定均能满足规范要求。因此在施工处理中，主要采取上堵下排，做好缝口封堵和裂缝排水减压措施。

高程143m水平层间缝规模较大，据分析，对2～右6坝段的安全运行有影响。由于1～右3坝段为转弯坝段，在平面上呈凸向下游的反拱形结构，坝段间横逢曾进行了灌浆处理。高程143m附近存在长间歇或停仓弱面，高温季节在反拱作用下，上游坝面产生拉应力，使得大坝上游面沿固有的弱面拉裂形成贯穿上游面的水平层间缝，其开度呈季节性变化。经与拆除方案相比较，确定采用锯缝处理方案，即将1～右3坝段之间的3条已经灌浆的横缝锯开，横缝锯开的底高程为142m，锯缝平均宽度1c m，控制最小切缝宽度8m m，从下游坝面切缝至上游第二道止水后1m。锯缝后，分别对层间缝进行防渗和排水处理。

图1 主要危害性裂缝位置示意图（高程、尺寸单位：m）

对溢流坝闸墩存在水平层间缝情况，经对闸墩不同高程出现的水平层间缝进行复核，所有坝段均能满足抗滑稳定要求。但当一个溢流坝段仅一孔泄洪时，水平层间缝会出现脱开现象，在大坝泄洪动水压力作用下，闸墩将处于震动状态，闸墩工作条件差，因此采取对裂缝进行化学灌浆、在闸门上游闸墩中部补设竖向预应力钢筋等工程措施，解决了闸墩压应力不足问题，并增强了闸墩的整体性，保证在各种运行条件下层间缝面始终处于受压状态。

2.3.2 坝顶纵向裂缝影响分析及处理措施

以右联3～7坝段存在的坝顶纵向裂缝（见图1（a））最具代表性。3左～6坝段高程158m电缆廊道顶拱或顶拱偏下游侧均有纵向裂缝，基本贯穿3左～6坝段，总长约57.8m，缝宽0.5～1.0m m。根据钻孔及孔内录像检查结果，裂缝在3左、3右、4坝段基本只穿过高程158m电缆廊道顶板。5、6坝段裂缝自坝顶穿过高程158m电缆廊道，在廊道底部开始向下游倾斜，在高程150m坝体排水廊道下游坝体内高程148～154m范围内尖灭。6、7坝段坝顶设置了门库，高程158m电缆廊道在6、7坝段横逢处设置对外通道，因此7坝段实际上为6坝段提供了大气边界。检查表明，该裂缝为活缝，且在发展中。

分析表明，坝体在周期性气温作用下会形成坝顶纵向裂缝，最深可达高程144.6m，比裂缝实际开裂高程略低。在坝体贴坡和加高部分完成后，在新浇混凝土与水压的综合作用下，虽然纵向裂缝仍然处于张开状态，但张开度明显减小，加高使温度变化幅度明显缩窄，裂缝深度没有向下开展的趋势。对补强加固、局部拆除和对穿锚索等处理方案进行比较后，选择处理效果满足要求、工程量小的补强加固方案。即主要在廊道底板至坝顶高程范围内布设5层Φ36Ⅱ级钢筋作为锁定锚筋；回填电缆廊道；对裂缝进行灌浆处理；在初期坝顶面加高混凝土内布设两层Φ32裂缝钢筋，并设置并缝廊道。

2.3.3 上游坝面竖向裂缝的影响分析及处理措施

上游坝面竖向裂缝一旦发展到一定规模，库水将渗入裂缝形成水压力，对已有裂缝产生劈裂作用，导致裂缝向纵深延伸。上游坝面竖向裂缝主要发生在18坝段和36坝段，以18坝段竖向裂缝具代表性。18坝段上游坝面竖向裂缝从高程约139m至坝顶，宽度0.5m m，裂缝中部曾在运行期间进行过处理。

采用仿真分析，还原18坝段施工和运行过程中的温度场和应力场。据分析，在该坝段混凝土浇筑施工结束后，次年该坝段在高程110～114.5m之间会出现3m深度的局部裂缝，在高程125m以上、坝顶门库出现深度1.0～3.5m的裂缝，初期工程运行期间除了上游面与门库间混凝土出现部分裂缝外，其它部位裂缝没有进一步发展。大坝加高完成并将上游水位抬高至170m后，18坝段坝头突出部位的裂缝深度会有所增加，可达4.5m，高程110～114.5m裂缝开展深度会增加到5m，高程116m上方还会出现小范围的内部裂缝，说明加高后，由于水位上升水温下降，导致应力集中加大，裂缝将进一步向下游延伸，但不会越过大坝横缝止水。根据影响分析成果，对18坝段、36坝段上游面竖向裂缝采取封堵和排水减压措施，消除水库水位上升后可能增加的水力劈裂作用。

2.4 其他缺陷处理措施

初期坝除裂缝较多外，还存在混凝土局部低强、坝基防渗等问题，在大坝加高过程中均采取了有针对性的措施，采用增设排水孔、上游坝面涂刷防渗涂料、对部分河床坝段防渗帷幕进行补强灌浆、对原设置的“排灌型”防渗帷幕改建成完善的帷幕渗控系统等措施。

3 混凝土坝加高新老混凝土结合措施

3.1 混凝土大坝抗滑稳定及应力控制标准

在抗滑稳定以及应力控制安全标准方面，除严格按照规程规范要求外，适度提高了部分标准。结合丹江口大坝初期工程断面的特点，两岸非河床坝段基本组合工况抗滑稳定安全标准从不小于3.0提高到不小于3.5；坝踵部位垂直正应力（地震荷载除外）从不应出现拉应力提高到不小于0.2MP a，增加坝体上游面最小主压应力（不计扬压力）不小于0.25γ h（γ为水的容重，h为坝面计算点的静水头）的要求。

3.2 坝前水位条件

加高工程施工期间，丹江口水库仍然需要承担相应的防洪、发电和供水任务，而坝前水位对大坝加高措施影响较大。从对大坝应力影响的角度看，适度降低加高施工期上游水位，可以改善坝踵拉应力，加高后水库水位抬升，所增加的水推力由新老坝体联合受力。施工期水位越低，水库水位抬升后，新老坝体共同受力的程度越高。从发电、供水等效益看，如果施工期控制水位过低，将会对水库效益产生较大影响。因此，施工期水位需要满足施工和防洪、坝体和坝基应力控制标准等要求前提下，尽可能使水库效益最大化为原则，确定高程162m以下贴坡混凝土施工期水库水位不超过152m。

3.3 新老混凝土结合问题及前期相关试验研究

3.3.1 新老混凝土结合问题

根据初期坝的特点，新老混凝土结合存在三种型式，即水平结合、竖直结合和斜坡结合。加高坝顶存在水平结合面，除妥善处理原坝顶新老混凝土结合面及新浇混凝土底部受老混凝土约束采用温控防裂措施外，一般可按常规施工，且能保证水平面上新老混凝土结合完好。而下游坝坡贴坡混凝土既存在斜坡结合，也存在竖直结合，底部受老混凝土或基岩约束，下游坝坡还受老混凝土的约束，对新浇混凝土产生约束应力；同时，新混凝土收缩也将对老坝体产生附加应力，特别是对坝体产生拉应力，结合面因新浇混凝土收缩也可能脱开，因而研究新老混凝土的结合，既要保证新老混凝土联合受力，还要妥善解决加高后的坝体和坝基应力，使大坝运行状态满足安全要求，也要尽可能减少新浇混凝土因温度收缩对坝体产生的不利影响，避免或尽可能减少混凝土裂缝。河床混凝土坝段因下部坝体已按照正常蓄水位170m要求建成，有足够的坝底宽度和厚度，上部坝体贴坡加厚、加高对坝踵应力不利影响相对较小；两岸联接混凝土坝体断面仅按初期工程运用要求设计施工，大坝加高工程需要从基岩面开始对坝体贴坡加厚、加高，对坝踵应力影响相对较大。

3.3.2 前期现场试验研究

为妥善解决新老混凝土结合问题，在1994～1999年间先后进行过三次混凝土浇筑现场试验，对混凝土材料、施工工艺、温控措施、新老混凝土结合面的处理措施进行了较为全面的研究，通过埋设温度计、测缝计、钢筋计，并采用钻孔取芯、注水试验等手段，主要取得三个方面认识，即新老混凝土结合面浇筑施工需要加强温控措施，限制混凝土最高温度不超过26～28℃；坡面上新老混凝土是能够结合的；竖直面新老混凝土结合面受年气温变化影响，有脱开的可能，需要在结构分析计算中考虑脱开影响，并采取结构措施，控制脱开宽度及同时脱开面积，保证新老混凝土联合受力。

3.4 加高混凝土温控措施

为有效降低混凝土浇筑中水泥水化热引起的有害应力，减少新老混凝土结合面开裂，使坝体应力满足设计要求，加高工程必须采取严格的混凝土温度控制措施。

3.4.1 温度控制标准

对上下浇筑层，温差控制不超过15～17℃，其中贴坡混凝土浇筑温差适当严格。对基础允许温差标准，假设浇筑块长边长度为L，短边长度不大于0.2L时，浇筑混凝土与基础允许温差取14～22℃，边长越长，允许温差越小；短边长度大于0.2L时，上述浇筑混凝土与基础允许温差可放宽2℃左右。为防止混凝土裂缝，新浇混凝土表面视不同部位和混凝土浇筑季节，均需要加强保护和养护，遇连续降温天气需要延长表面保护和养护的时间。均匀上升的柱状浇筑块，混凝土浇筑冬季最高温度不能超过23℃，春秋季节不超过27～28℃；5～9月不允许浇筑贴坡混凝土；坝顶加高部位混凝土浇筑温度4月、10月不超过31℃，5～9月不超过33～36℃。

3.4.2 通水冷却

混凝土浇筑后采用通水冷却，通水冷却采用P E管。采用控制冷却水管间距以及冷却时间来达到目标温度控制。

3.4.3 混凝土浇筑层厚

大坝加高用混凝土主要为R90200、R90250两种标号。贴坡混凝土浇筑温度冬季10℃、春秋季12～14℃，初期通水冷却水温度一般8～10℃。根据温控计算分析成果，R90200混凝土在10月～次年4月均可以采用3m混凝土层厚进行浇筑，冷却水管间距1.5m×1.5m；R90250混凝土浇筑时在春秋季需适度减小混凝土浇筑层厚。

3.4.4 混凝土保温

从短期和长期保温效果研究来看，新老混凝土结合面开裂面积差别在1%左右，保温效果差别很小；但从是否采取保温措施看，采取保温措施后，新老混凝土闭合面积增加约13%，保温效果明显。因此，丹江口大坝对新浇混凝土表面采用聚乙烯苯板进行施工期保温措施。

3.5 非溢流坝新老混凝土结合措施

3.5.1 基本施工方案

非溢流坝加高采用后帮整体式浇筑混凝土，这种加高方式的施工方法主要有两种：一种是在老坝体下游面直接浇筑混凝土，使新老混凝土一次浇筑即可形成一整体结构，常称为直接贴坡方案；另一种是在老坝体与新浇筑混凝土块体间留下一定间隙，待新浇混凝土硬化收缩后，再填充间隙，使新老坝体形成整体，即预留宽槽方案。

直接贴坡方案重点要做好老混凝土面的处理以及新浇筑混凝土的温度控制。其优点是简化施工程序，有利于保证施工质量。主要难点在于消除或减小下游贴坡混凝土降温收缩对坝体应力特别是坝体上游应力的影响；处理好新老混凝土结合面，尽量使其结合成整体，使新浇混凝土与老坝体能共同工作；做好新浇混凝土的温控，不能出现有害裂缝。

预留宽槽方案分为两种情况，一种是新老混凝土结合斜坡面和竖直面全部设宽槽，另一种是在斜坡面采用直接贴坡浇筑，竖直面设宽槽。全部设置宽槽方案的优点在于简化温控措施，并可避免新浇混凝土的降温收缩引起老坝体上游面的应力；缺点是宽槽回填须在混凝土冷却至稳定温度，并完成自生体积变形后进行，宽槽回填混凝土施工季节要求严格，增加了施工程序和施工难度，对总工期的影响较大。仅竖直面设宽槽方案综合了直接贴坡方案和全部预留宽槽方案的特点，在合理安排施工程序条件下，克服对总工期影响大的缺点，并具备宽槽回填施工难度小、施工质量容易保障等优点。

3.5.2 施工方案效果比较

采用仿真计算对两个基本施工方案新老混凝土结合面开裂情况进行研究。

（1）直接贴坡方案

临时保温措施情况下，新老混凝土结合面施工期只在竖直段少部分开裂。拆除临时保温措施后，竖直段结合面会很快全部开裂；斜坡段结合面逐年开裂，在拆除保温后四年左右时间内基本达到稳定，其上部部分裂开，中下部外侧少部分裂开。主要是由于新贴坡混凝土沿坝坡方向的收缩以及坝顶加高部分混凝土的伸长变形都会使竖直段结合面产生拉应力，而混凝土自重很难给竖直段结合面提供有效能抵抗温度应力的压应力，因此竖直段结合面很快全部开裂。斜坡段结合面，由于气温的周期变化，新浇混凝土会沿坝轴方向伸长或收缩变形，当夏季伸长时会在坝轴中部引起结合面法向拉应力，冬季收缩时，则会在坝段侧面引起法向拉应力，由于自重又会在结合面法向产生部分压应力分量，因此，斜坡段结合面上部及外侧面部分易产生拉裂。

（2）竖直面预留宽槽方案

设定第一个冬季的1月开始宽槽回填，浇筑层厚3m，混凝土回填后，冷却措施同贴坡混凝土。计算分析表明，拆除临时保温措施的4年后，竖直段结合面仍然全部开裂，只是比直接贴坡方式开裂时间推后，开裂情况仅比直接贴坡方案稍小。

因此，实际施工采用直接贴坡方案。

3.5.3 加高对坝体应力的影响

重力坝加高容易恶化坝踵应力。但当新浇筑混凝土采取低温入仓、低温水管冷却加保温的综合措施，使得坝体加高至坝顶时新浇筑混凝土略低于稳定温度，混凝土的后期温度不下降、反而上升，可以给大坝坝踵产生附加压应力，保证重力坝加高后坝踵应力不恶化。

计算分析表明，加高后坝踵有1.2～1.4MP a压应力，较加高前略有增大。拆除保温后，考虑大坝蓄水位抬高至170m水位，坝踵处竖直向压应力随时间变化的幅值减小，但仍然有不小于1MP a的压应力；考虑扬压力后，虽然各应力指标均随温度的四季变化而发生周期性变化，但仍可保证坝踵不出现拉应力。对于大坝坝体应力，尽管新老混凝土结合面会产生开裂，但总有一定面积是闭合的，新老混凝土之间可以传递压应力和剪应力，计算得到接触面最大压应力为2.3MP a，最大剪应力为0.8～1.5MP a，均在混凝土允许值之内。

为尽量释放温度年变化引起的贴坡混凝土与老坝体之间的法向拉应力，研究了新浇贴坡混凝土设置横缝的方案，以减小混凝土开裂面积。研究表明，在贴坡混凝土设置横缝后结合面闭合面积增加约6%。

3.5.4 结合面张开度

开裂的新老混凝土面将随季节温度变化而呈现张开-闭合变化。对于坝段外侧横剖面上结合面张开度，其特点是冬天张开、夏天闭合的周期性变化，最大开度一般发生在2月中下旬。经对典型坝段进行分析，竖直段结合面中间部位的开合度最大，约为1.6m m，斜坡段结合面最大开合度位于上部，约为0.5m m；对于坝段中面结合面，最大开度同样出现在竖直段结合面的中部，约为1m m，斜坡段结合面开度均小于0.1m m。从每年最大开度发展趋势看，结合面上大部分点的开度值逐渐增大，但增幅逐年减小，最后缝面达到稳定状态，分析其原因主要是新贴坡混凝土的平均温度逐年升高，其弹性模量逐年增大所致。

3.5.5 主要施工措施

非溢流坝加高主要采用直接浇筑贴坡混凝土施工方式；结合面采取设置键槽、植入锚筋、设置排水等结构措施；采用相对高标号混凝土，使新混凝土弹模值接近老混凝土；为避免应力集中，拆除老坝体突出部位混凝土；从严采用温控标准，将贴坡混凝土最高温度控制在年平均气温以上10℃左右，并在龄期一个月以内将混凝土温度冷却到年平均气温（15.8℃以下），加强新浇混凝土的养护。

3.6 溢流坝新老混凝土结合措施

溢流坝堰面加高，不仅要考虑新浇筑混凝土与老坝体堰面的结合，还要考虑堰面加高混凝土与闸墩之间的结合。如采用直接贴坡浇筑堰面混凝土，需解决新浇筑混凝土与闸墩之间脱开对闸墩产生较大拉应力问题；如采用预留宽槽回填浇筑混凝土，宽槽最深达14m，需解决施工难度较大的问题。仿真计算分析表明，新加高堰面混凝土与闸墩之间缝面开度大于8m m时，加高堰面对闸墩基本无约束作用，闸墩横向变形大，闸墩与初期堰面的角隅将出现很大的拉应力；缝面开度较小时，因加高堰面对闸墩具有一定约束作用，坝体及闸墩中出现的拉应力会随开度的减小而减小，且最大拉应力会从闸墩与初期堰面角隅处转移到闸墩与加高堰面的角隅处。因此，溢流堰面加高采用直接贴坡浇筑与预留宽槽回填相结合的加高方式，即堰体混凝土施工总体采用整体一次性浇筑，但在闸墩接合面顶部2～3m范围内预留宽1.2m的宽槽，沿闸墩全长布置，并在闸门底坎位置槽中设置隔墙度汛，待汛后低温季节进行宽槽回填。这样处理后，就可以使得堰面新浇加高混凝土与闸墩之间顶部的2～3m高的范围内能够充分接触，泄流时加高混凝土能为闸墩侧向提供一个有效的支撑，使得闸墩受力状况趋向合理。堰面加高时，在结合面还采取了相应的结构和排水措施。

3.7 新老混凝土界面处理措施

新老混凝土结合面强度一般低于整体浇筑混凝土，增加新老混凝土结合程度的最直接的方法就是增加结合面抗拉强度。具体施工时，需要对结合面老混凝土进行凿毛处理，去除老混凝土表面的老化薄弱层，选择合理的界面剂以增强新老混凝土结合面的抗拉强度。

3.7.1 结合面强度对新老混凝土结合面开合率的影响

采用仿真计算模拟新老混凝土结合面不同强度、完工10年后新老混凝土结合面开合情况。结果表明，随着新老混凝土结合面抗拉强度的增加，结合面闭合比例逐渐增加，张开的面积逐渐减小，当结合面抗拉强度从0.2MP a增加到2MP a时，新老混凝土脱开面积从几乎全部脱开到接近70%的面积闭合，冬季和夏季的开合比例基本一致，说明结合面抗拉强度对结合面张开比例有显著影响。因此，加高工程在新老结合面采取了工程处理措施，以增加结合面抗拉强度，改善新老混凝土结合面工作条件。

3.7.2 新老混凝土结合面处理措施

经检测，老坝体碳化深度一般不超过1c m，但在裂缝处碳化深度相对较深，因此结合面处理时，对细小裂缝进行凿除，正常情况下，竖直面凿毛深度为3～5c m，斜坡面和水平面凿毛深度2～3c m。对老坝体进行表面凿除等处理后，在新老混凝土结合面涂刷界面剂，改善结合面的微观结构，提高粘接性能，根据试验，不同界面剂，可增强界面抗拉强度8～60%。

3.7.3 界面剂材料

界面剂包括水泥净浆或水泥砂浆，以及专用的界面胶。

（1）水泥净浆或水泥砂浆

采用42.5MP a低热矿渣硅酸盐水泥或低热微膨胀水泥为原料，对水泥净浆以及水泥砂浆的抗剪、抗拉、抗渗进行了多方面的试验研究。研究结果表明，当水泥净浆或水泥砂浆辅完后立即浇筑新混凝土要好于水泥净浆或水泥砂浆终凝后再浇筑混凝土；砂浆的抗剪强度比净浆稍小；低热微膨胀水泥作为胶结材料时，结合面的胶结性能明显提高，90天龄期后抗剪强度提高0.3～0.8MP a，轴拉强度提高0.2～0.4MP a。

（2）界面胶

采用专用界面胶进行了现场生产试验，试验表明，无机类混凝土界面胶能适应大体积混凝土浇筑潮湿环境，并可通过配方调整使之与大坝混凝土初凝时间大致相同；温度适合、养护条件较好的情况下，界面胶抗拉强度远大于混凝土抗拉强度，采用界面胶后新老混凝土结合面之间不是混凝土最薄弱环节。

实际工程中，加高混凝土浇筑开仓前，大坝下游坡老混凝土面设一层厚1.5～2.0c m的水泥砂浆，砂浆标号较仓内混凝土标号提高一级，水泥品种与仓内混凝土所用水泥一致，以提高新老混凝土结合面强度。在门库和闸墩部位新老混凝土结合面，采用深凿毛处理，并涂无机类界面胶。

3.8 新老混凝土结合面结构措施

新老混凝土结合面上，还采取了设置键槽、植入锚筋、设置排水措施、预留灌浆等措施，以确保新老混凝土联合受力。

3.8.1 键槽措施

初期工程在部分坝段下游坝坡（包括竖直面及斜坡面）设置了一些键槽，但不完整，加高工程中需要在老坝体下游坝面增补人工键槽。为了解设置键槽与不设置键槽、设置三角形键槽还是设置梯形键槽的坝体应力情况，对新老混凝土结合面不设置键槽、设置三角形键槽、设置梯形键槽三种方案，模拟加高施工过程，分析不同键槽形式对接触状态及坝踵应力的影响。仿真计算结果表明，新老混凝土结合面上设置键槽后，在同一时刻，结合面上总有部分是接触的，新老混凝土之间能够传递压力和剪力，增强了新老坝体的整体性，减小了坝体位移；不同键槽对坝体应力影响不大；设置键槽有利于大坝的整体性。从大坝位移、缝面传力、结合面开度等综合分析，梯形键槽效果略好于三角形键槽，但考虑到施工和成本因素，加高工程所增加的键槽采用了三角形键槽，长边70c m、短边40c m、深30c m，键槽间距40c m。

3.8.2 锚筋措施

鉴于老坝体中的锚筋采用后期植入的方法，且受到温度荷载的反复作用，采用了考虑锚筋与混凝土之间滑移效应的方法研究锚筋对新老混凝土结合面开裂情况的影响。结果表明，新老混凝土之间采用锚筋措施对结合面开裂可以起到较好限制作用，在结合面顶部设置的锁口锚筋加密布置、加大直径，不仅可有效减小其开度，且可以有效减小开裂深度，其余部位加密锚筋作用相对较小。因此，对新老混凝土容易开裂的部位设置加密锚筋、加大锚筋的直径和长度，以提高限制裂缝开度的作用。实际施工时，沿结合面法向布设砂浆锚筋，锚筋采用直径25m m、长4.5m的Ⅱ级钢筋，插入初期坝体2m、3m长短相间，间距2m×2m呈梅花形布置。在距坝体横缝1m设置间距1m的单排锁口锚筋，在初期坝顶部设置两排直径32m mⅡ级钢筋、间距40c m的锁口锚筋。

3.8.3 排水措施

分析表明，新老混凝土结合面不可避免出现开裂现象，而由于下雨等情况在缝面可能出现渗水，如不能及时排出，会在结合面产生附加水压力，导致缝面进一步张开，因此，在结合面设置了排水措施。在左、右岸非溢流坝段原初期坝体下游面，每间隔约15m设置一根边长10c m的三角形排水槽，上部从初期坝顶开始，下部接到贴坡混凝土内纵向观测排水廊道，廊道布置在靠近坝趾附近；溢流坝段分别在原堰顶高程132m处和闸墩后高程128m处设置一横向排水廊道，并在溢流堰中轴线沿老堰面用纵向廊道将两廊道连接，平面上呈“工”字型，通过18坝段高程128m纵向廊道通向大坝下游。

3.8.4 预留灌浆措施

对于可能出现的新老混凝土结合面裂缝，在遇到地震等极端情况下，有可能出现进一步扩展的情况，因此在加高施工中预留了灌浆系统，作为大坝后期运行新老混凝土结合面修复的一种安全储备措施。灌浆系统预埋于新浇贴坡混凝土内，其中出浆管采用钻孔预埋方式，止浆片采用切槽埋设方式，灌浆管路和排气管均引至坝坡面。

4 抗震安全复核

按照相关规程规范，丹江口大坝设计地震为100年超越概率2%，校核地震为100年超越概率1%。根据丹江口大坝工程场地地震危险性分析，丹江口大坝工程场址100年超越概率2%和1%的基岩水平地震动峰值加速度分别为0.15g和0.18g。对丹江口大坝加高工程进行抗震复核结果表明，坝体混凝土强度、建基面抗滑稳定、土石坝坝坡稳定均满足规范要求；在设计地震荷载作用下，坝体位移量值总体较小，各缝面张开度较小，坝体裂缝存在不同程度扩展，缝的张开以及滑移量均不大，不致破坏止水设施的防水功能和大坝的正常运行；坝体会有较小范围的局部损伤，但整体安全性满足规范要求。