大坝加高的模式及类型

大坝加高的模式及类型

周厚贵1，2

(1.中国能源建设集团有限公司,北京 100029; 2.河海大学 水利水电学院,江苏 南京 210098)

摘要：随着水利水电工程建设的快速发展,优良的坝址越来越少.实施大坝加高建设,挖掘和扩大已建大坝的潜能,可使已建大坝发挥出更大的综合效益.本文系统地总结了大坝加高的模式、类型以及加高方式的选择,并列举了国内外典型的工程实例,可为水电工程科研技术人员提供参考.

关键词：水电工程;大坝加高;模式;类型中图分类号：TV52文献标识码：A文章编号：1002-5634(2015)03-0044-05

随着水利水电工程建设的飞速发展,坝址资源被快速地占用,导致可选用的坝址越来越少,坝址质量也将越来越差.为此,第一方面,需要进一步展开大量的勘探、研究和论证工作,寻找可用的新坝址;第二方面,需要重新论证已选坝址,以期最大限度地发挥现有坝址的效能;第三方面,实施大坝加高建设,挖掘和扩大已建大坝的潜能,使已建大坝发挥出更大的综合效益.

大坝加高建设,能更好地满足国民经济和社会发展的需要.大坝加高工程建成后,库容和发电出力将大幅增加,可有效地缓解日趋紧张的供水和供电压力,提供更多的水源和电力供应;能最大限度地利用已建坝址的潜在效用,避免新建大坝所必需的重新选址、重新勘探、重新论证等问题,同时还可规避新坝选址的风险;可降低建坝数量,减少因征地、移民等带来的生态环境问题,对生态环境的保护起到促进作用;大坝加高建设的不断实施和周期性推进,将促进坝工建设的可持续发展和坝工技术的不断创新,从而进一步推动水资源的充分利用,实现坝工建设的绿色、低碳、循环发展.

关于大坝的加高,本文主要研究了大坝加高的模式、类型及加高方式的选择.

1大坝加高的模式

大坝加高的模式归纳起来主要有以下几种：

1)续建(增建)模式.这种模式是在大坝建设最初的规划方案中就已确定将工程分期或分阶段实施,当分期或分阶段时间间隔超出一定界限时,后期或后阶段的建设就构成了续建(增建).在规划中采取大坝续建(增建)方案,主要是考虑到:①大坝一次建成的条件尚不具备,如投资未落实、移民安置问题未解决、技术难度过高、生态条件所限等;②大坝功能的发挥在近期和远期上采取逐步改善的方式,如后期提供水源、后期满足航运需求等;③大坝性能指标的实现在近期和远期上有较大差异,如发电输出的需求量变化，供水的需求量变化等.

2)改建(扩建)模式.这种模式是在大坝建成后的正常运行中,随着经济社会的快速发展,针对大坝的功能，提出增大规模、容量甚至某种或多种新的需求时所进行的大坝建设，即形成改建(扩建).

3)复建(重建)模式.这种模式是在大坝建设中或建成后的运行过程中,由于种种不利因素如设计和施工重大事故、超标准洪水、大型泥石流、强烈地震、战争动乱等,导致大坝严重损坏而无法正常运行甚至彻底损毁而进行的大坝拆除后重建,或者在损毁后的大坝原址上复建,即所谓复建(重建).

续建(增建)模式能较好地考虑近期与远期效益的关系,最大限度地发挥近期和远期的工程效益;改建(扩建)模式可充分挖掘和利用已建大坝的潜在功能,推进水资源的高效利用;复建(重建)模式可省去大坝坝体进入全面施工之前的立项、勘察、论证、审批、设计等各项工作,直接进入主体施工.

2大坝加高的类型

2.1　按加高的结构形式划分

2.1.1后帮整体式

后帮整体式是最具代表性的大坝加高方式,如图1所示.其施工技术成熟,施工难度相对较小,对现行工程运行的影响不大，是混凝土坝普遍采用的加高方式.通过该方式加高坝体,新老混凝土结合是施工的关键问题和技术难点.需要确保新老混凝土的良好结合,达到整体受力、共同受力的效果.

图1　后帮整体式大坝加高示意图

2.1.2后帮分离式

与后帮整体式相比,后帮分离式大坝加高的特点在于:新浇混凝土的贴坡部分与原有坝体是分离的;后帮部分压在老坝下游面上起支撑作用,在新老坝体的结合面上用其他材料(如金属板等)隔开.在这种方式中,不锈熟铁板等的存在能使后帮部分在各向自由移动,不会产生破坏性的内应力,可以减小后帮部分在降温收缩时对老坝的不利弯矩,或减少坝踵拉应力.但该加高方式需要大量的混凝土才能达到与后帮整体式相同的稳定效果,故较少采用.

2.1.3前帮整体式

前帮整体式是指在坝体的上游面及坝顶加高,如图2所示.

图2　前帮整体式大坝加高示意图

在前帮整体式大坝加高工程中,需要在坝前浇筑混凝土,涉及到施工期水库水位控制或者水下施工问题.与后帮整体式相比,前帮整体式的施工过程更复杂,对现有大坝运行的干扰比较大,所以在工程实际中应用不是很普遍.

2.1.4前后帮综合式

前后帮综合式大坝加高是指在原有坝体的上游面、下游面及坝顶均进行混凝土培厚加高,以达到加固坝体、加高坝顶的目的,如图3所示.这种大坝加高方式的施工过程较复杂,对原有坝基的处理、对水库上下游水位的控制、施工期间对枢纽运行的影响控制等方面要求更高.此外,由于在坝体的上下游面均进行混凝土培厚,可以大规模加固坝体,因此在原有坝高的基础上可以实现最大限度地加高坝体.

图3　前后帮综合式大坝加高示意图

2.1.5预应力锚索式

这种加高方式对坝体的上下游面均不作处理,而是通过直穿坝体的预应力锚索将坝顶加高部分直接与坝基相连,以实现坝顶加高部分、已建坝体与坝基的整体效应,如图4所示.

图4　预应力锚索式大坝加高示意图

相对于大坝加高的其他方式而言,预应力锚索式由于不需要在坝体的上下游面和新老混凝土结合面做处理,在混凝土浇筑环节上较为简单.其施工重点在于：在进行贯穿坝体的预应力锚索施工时,需要考虑坝体内部的廊道、竖井、孔洞及各种观测设备等对锚索的影响以及空间位置的限制.

该加高方式的优点是造价较低廉,施工速度快,在一般情况下,工程施工不需降低水库水位.其缺点是对于大坝这样的永久性建筑物来说,需要大量的预应力锚索施工到位,施工工艺较复杂,且在长期运行中锚索可能被腐蚀而丧失预应力.故在选择该大坝加高方式时应慎重.

2.1.6坝顶直接加高式

这种加高方式是将老坝坝顶拆除一部分,然后直接在老坝上浇筑新混凝土,直至将坝顶升高至预定高程.这是一种主要利用或占用大坝设计施工安全余度的方式,一般应用于老坝和加高部分的高度都不大的情况.采用这种加高方式的优点是施工方便,所需混凝土方量远少于其他加高方式,施工时大坝及水库照常运行,受影响较少.

2.2　按加高的筑坝材料划分

2.2.1土石坝加高

土石坝加高是指对以土石材料做成的围堰、堤防、大坝等工程设施进行加高、培厚、增强等的施工建设,加高所用材料亦为土石料.在土石坝的加高施工中,坝料的开采、制备、运输，坝体填筑、碾压的施工工艺和技术要求等与新建工程类似,其关键之处在于新老坝体结合面的处理.

2.2.2混凝土坝加高

混凝土坝的加高是指在原有坝体的基础上以混凝土为建筑材料进行的加高施工.其加高对象通常为混凝土坝、浆砌石重力坝、浆砌石拱坝等.相比土石坝加高而言,混凝土坝加高施工的技术要求和复杂度增高,施工组织管理的难度增大,需要处理好新老混凝土结合等施工技术难题.

2.3　按大坝加高的功能需求划分

按照大坝加高所满足的不同功能需求,可将其划分为增加水库防洪标准的大坝加高、增加水电站发电能力的大坝加高、增加水库供水能力的大坝加高以及出于其他目的的大坝加高.通常,通过坝体的加高,以上几项功能均可在一定程度上得到提升,反映了大坝加高工程的综合效益.

2.4　按加高的实施次数划分

2.4.1一次加高

绝大多数的大坝加高工程都是根据某种需要进行的一次性加高,如我国的南水北调中线丹江口大坝、委内瑞拉的古里大坝、美国的罗斯福大坝等的加高工程.对于工程建设时就考虑分两期建设(即需要进行一次加高)的情况,在前期的规划设计时需要充分考虑为后续加高施工创造良好的条件.

2.4.2多次加高

多次加高是指坝体在初始高度的基础上进行二次及二次以上的加高施工.大坝多次加高可能是由于对枢纽发电、防洪等功能需求的不断增加,同时又具备水资源可开发量、库区淹没等相关条件下的主动加高,也可能是由库区供水、通航等原因导致的被动加高.意大利的高桥坝曾加高过7次,这在大坝的加高历史上是创纪录的.我国甘肃鸳鸯池大坝也曾加高过3次,是国内加高次数最多的.随着大坝加高次数的增加,施工条件和要求也更加苛刻,对现有枢纽的防洪、发电等效益的发挥均有一定的影响,所以大坝不宜进行多次加高施工,而应该在工程建设初期进行系统规划,尽量一次性建成.

3大坝加高方式的选择

当大坝现有的规模和性状无法满足防洪、发电、供水等现实需求时,需对大坝进行加高.在确定大坝加高时,需要综合考虑以下几个方面.

3.1　加高施工期间的大坝运行要求

通常,在大坝加高施工期间对枢纽运行的要求较高,如保证防洪标准不降低、发电量需要保证在一定的水平,宜选择对上下游水位要求不高的加高方式,如后帮整体式、后帮分离式、预应力锚索式、坝顶直接加高式等类型.

3.2　现有坝基的承载力情况

部分大坝加高续建项目在前期已将基础处理完毕,满足加高后坝体运行的需要,这种情况下的大坝加高方式选择相对宽泛,各种加高方式均可灵活应用.但如果在加高施工中需要同步加固坝基或拓宽坝基处理范围,则需要考虑各种加高方式下地基处理方案的可行性、施工成本、对枢纽运行的影响以及是否存在水下施工作业等.

3.3　现有坝体材料的类型

对于土石坝、堆石坝、浆砌石坝等土石类坝体的加高方式的选择,因为不存在新老混凝土结合问题,故后帮整体式、后帮分离式、前帮整体式、前后帮综合式均可选用,但预应力锚索加高式、坝顶直接加高式一般不宜采用.对于混凝土坝,根据其他方面的综合情况,以上各种方式均可选用,但需要处理好新老混凝土的结合等关键技术难题.

3.4　现有工程枢纽的结构形式

现有工程枢纽的空间布置、各类建筑物的分布等结构形式对大坝加高方式的选择有重要的影响.如对有坝后式厂房且在加高施工期间有发电任务的大坝进行加高,很难实现坝体下游干地施工,坝基的加固处理受到一定的限制.对在施工期间有通航要求的大坝进行加高施工,坝体上游的水位及其上游面的各项施工作业均会受到一定的影响.

3.5　大坝加高的高度

大坝加高的高度不同,对加高方式的选择影响很大.如果加高的高度较大,则需对坝体进行大规模的加高培厚,可选择前后帮综合式、后帮整体式、后帮分离式、前帮整体式等.预应力锚索加高式、坝顶直接加高式对大坝加高高度的限制较大.

3.6　加高施工的工程量

在满足加高后大坝运行功能需求的前提下,根据各项施工的限制条件,通常选择加高施工工程量相对较小的加高方式,一方面可节约工程成本,另一方面也可降低施工难度、缩短施工工期.

总之,在选择大坝加高方式时,需针对大坝加高工程的实际情况,根据各加高方式的特点、适用条件、优势及不足,综合比选后确定理想的加高方式.

4工程实例

4.1　丹江口大坝加高工程(后帮整体式)

我国丹江口大坝始建于1958年,1973年竣工,工程主要挡水建筑物由河床及岸边的混凝土重力坝和两岸土石坝组成,坝高162.0 m,坝总长3 442.0 m,库容174.5亿m3.大坝加高工程于2005年9月26日开工,坝体加高到176.6 m,加高高度为14.6 m,总库容增大至339.1亿m3,并对坝身培厚.至2010年3月,混凝土坝段已全部加高至设计高程,整个加高工程于2013年完成.加高工程中的混凝土工程主要为溢流坝段的溢流面和闸墩加固加高、其他混凝土坝段在原混凝土坝的基础上进行下游贴坡加厚和坝顶加高[1-2].丹江口大坝加高工程非溢流坝段典型剖面如图5所示.

图5　丹江口大坝加高工程非溢流坝段典型剖面(单位:m)

4.2　斯汀布拉斯下坝加高工程(预应力锚索式)

斯汀布拉斯下坝(Steenbras Lower Dam)位于南非的斯汀布拉斯河上,距开普敦约50 km,濒临戈登湾.斯汀布拉斯下坝是一座分期施工的混凝土重力坝,始建于1921年,坝高12.5 m.1928年第1次加高,采用预应力锚索方法将坝抬升了12.9 m.1954年第2次加高了2.0 m.2次加高后,坝的最终高度为27.4 m,坝顶长389.0 m,库容0.362亿m3.斯汀布拉斯下坝2次加高的坝体断面如图6所示.

图6　斯汀布拉斯下坝坝体断面(单位:m)

4.3　蓬特斯维耶哈斯大坝加高工程(坝顶直接加高式)

蓬特斯维耶哈斯(Puentes Viejas)大坝位于西班牙洛索亚(Lozoya)河上,为重力坝.大坝于1935年进行加高,原坝高28.0 m,加高后坝高64.0 m.蓬特斯维耶哈斯大坝加高典型断面如图7所示.

图7　蓬特斯维耶哈斯大坝加高典型断面(单位:m)

蓬特斯维耶哈斯大坝加高工程采用在上游面直接加高的方式,即在前期工程施工时,同时将后期加高工程的基础浇筑好,后期工程便可从水库运行的最低水位开始加高.其加高的具体方式是将老坝坝顶先拆除一部分,然后直接在老坝上浇筑新混凝土,直至将坝顶升高至预定高程.由此可见,这种加高可使各阶段的工程施工做到有控制的进行,且加高所需混凝土方量远少于其他加高方式,施工时大坝及水库照常运行,基本不受加高工程的影响[3-5].

5结语

系统地总结了大坝加高的模式、大坝加高的类型、大坝加高方式的选择,并列举了国内外典型工程实例,可为水电工程科研技术人员提供参考.

参考文献

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[4]朱诗鳌.漫谈大坝加高(四)[EB/OL].[2011-11-01] http://blog.sciencenet.cn/home.php?COLLCC=4219987

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[5]李楠,朱康.现代坝体加高工程及结合面处理方法[J]. 黑龙江水专学报,2007,34(4):36-38.

Modes and Types of Dam Heightening

ZHOU Hougui1,2

(1.China Energy Engineering Group Co., Ltd., Beijing 100029, China; 2.College of Water

Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract:With the rapid development of water conservancy and hydropower construction, excellent dam site will be less and less. Mining and expanding the potential of existing dams, and implementing the construction of dam heightening, can make the existing dams play greater comprehensive benefits. In this article, we systematically summarized the modes, types and choices of methods of dam heightening, and listed the typical engineering examples at home and abroad, which provide some references for the researchers and engineers of water conservancy and hydropower.

Keywords:hydropower engineering; dam heightening; mode; type

(责任编辑：陈海涛)