武都水库大坝震损处理及抗震设计

覃克非

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

武都水库大坝震损处理及抗震设计

覃克非

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

武都水库坝址距汶川“5.12”大地震发震断裂较近，地震对工程区影响烈度达8度，地震发生时坝体混凝土正在施工，地震后经系统的检测，客观分析和评价了地震对工程的影响。根据提高后的抗震设计参数进行了全面的抗震安全性复核和震损加强、加固处理，武都水库工程已建和在建的建筑物均满足提高地震动参数后的抗震设计要求。

“5.12”大地震 高混凝土重力坝 抗震参数 震损 加固处理设计

1 概述

武都水库坝址位于四川省江油市武都镇境内的涪江干流上，工程任务以防洪、灌溉为主，结合发电，兼顾城乡工业生活及环境供水等综合利用，是武都引水工程的水源工程。武都水库总库容为5.72亿m3，设计控灌面积15.234万hm2，按其灌溉规模确定为大(1)型Ⅰ等工程。枢纽区主要建筑物有碾压混凝土重力坝及坝后式厂房，最大坝高120.34m，水库拦河坝及坝身泄水建筑物级别为1级，坝后式厂房为3级。大坝的地震设防类别为甲类，大坝的地震设计烈度为8度，坝后厂房按基本烈度7度设防。

武都水库坝址距汶川“5.12”大地震发震断裂20km，地震对工程区影响烈度达8度。武都水库工程于2004年11月1日正式开工，2008年5月遭遇“5.12”汶川大地震时，拦河大坝正在施工，其中河床坝段已浇坝高28m，左岸坝段已浇坝高最大至38m。地震对在建的主体工程造成了一定影响，正在施工的混凝土因施工工序未完导致质量不合格；刚施工完成的混凝土因待凝时间不足造成局部密集的浅表裂缝，混凝土密实度较差，震后出现垂直裂缝；有少量安全监测仪器遭受地震破坏；岩溶洞穴内有局部掉块垮塌。

地震发生后，工程建设各方在项目业主领导下开展了系统的灾后重建工作。设计单位进行了包括应急抢险、地震损害检测、抗震设计标准复核、震损处理、抗震加固处理等一系列震损及加固处理设计。

2 地震损害检测

为查清“5.12”地震对工程已完成部分的损害，便于下一步工作的开展，各参建单位对整个工程展开全方位的震损检测及评价工作，主要完成工作如下：

(1)对整个工程坝址区区域构造进行调查及评估。对坝基内岩体、坝基内断层、大坝混凝土/基岩接触面、坝基已固结灌浆区域的质量进行震损检测，对库区渗漏及坝区上下游库岸稳定进行调查及评估；

(2)对坝体裂缝进行调查及检测。对大坝混凝土质量、两岸建基面岩体质量进行震损检测；

(3)对已完成的防渗帷幕灌浆工程进行震损检测。对大坝区的岩溶缺陷部位进行了震后检查；

(4)对金属结构设备安装工程进行自检评定；

(5)对监测仪器进行震后检查，并对监测数据汇总分析；

(6)对施工控制网进行震后检查，并进行了施工控制网的复测及补设工作。

3 抗震标准复核

2002年工程初步设计阶段，四川省地震局工程地震研究所对大坝坝址区地震基本烈度进行了研究，武都引水二期工程武都水库摸银洞坝址区内50年超越概率10%的基岩水平峰值加速度，确定为110cm/s2，地震基本烈度为7度。武都水库大坝的地震设防类别为甲类，在基本烈度基础上提高1度作为设计烈度，故按地震设计烈度为8度进行设防，水平向地震加速度代表值αh=0.2g=196.2cm/s2。

2008年“5.12”汶川大地震后，四川省地震局对武都水库工程场地地震烈度及地震动参数进行了复核，复核评价结论为，区内50年超越概率10%的基岩水平峰值加速度为124cm/s2，相当于地震基本烈度7度，与原报告相同，但不同概率地震动水平峰值加速度有一定提高。因此，武都水库工程大坝的设计地震烈度仍然为8度，但基岩峰值加速度应有提高，经研究采用100年超越概率为2%的基岩水平峰值加速度(256cm/s2)进行大坝抗震设计复核，即由前期αh=196.2cm/s2提高到256cm/s2。

4 震损处理

4.1 震损混凝土处理

“5.12”汶川地震时，武都水库大坝坝体龄期在3d内的已施工混凝土存在震损可能，对经检测发现已经震损的坝体混凝土进行了清除处理。

(1)6#～7#坝段，清除顶层厚1.1m的混凝土，包括廊道顶部混凝土。廊道顶部由于钢筋密集，混凝土清除困难，如强行清除将破坏钢筋。因此，确定廊道顶部只需清除钢筋层以外的混凝土，同时在顶拱部位增设一层钢筋网；

(2)13#～15#坝段，全部清除顶层已震损的混凝土；

(3)21#坝段在桩号坝横0+450m右侧全部清除已浇的混凝土，用相同标号混凝土回填，然后作并缝处理。

4.2 坝体裂缝处理

4.2.1 劈头裂缝处理

坝体劈头裂缝可能会对蓄水后坝体的安全运行构成重大威胁，不仅影响坝体防渗，而且可能在水压作用下发展成贯通性裂缝。

4.2.1.1 密集分布的劈头裂缝处理措施。20#坝段右侧上游防渗层面(立面)上有8条劈头裂缝，密布在右侧靠基岩的倒三角形混凝土浇筑体部位。该部位呈倒三角体，面积不大，裂缝密集，处理措施为：清除坝体上游迎水面裂缝密集部位混凝土后，在结合面上设置插筋，并恢复坝横0+450m处结构横缝内的止水、基础止水、槽中止水及迎水面限裂钢筋网；然后用C9020二级配微膨胀混凝土回填密实，恢复原坝体断面；最后，在上游迎水面处的新老混凝土结合缝面上凿V型槽(宽×深=8cm×5cm)，填筑SR防渗塑性材料，并进行表面保护。

4.2.1.2 单独的劈头裂缝处理

(1)经检测，裂缝深度大于30cm时钻斜孔灌浆，钻孔间距300cm，钻孔深度50cm～80cm。裂缝深度小于30cm时则钻骑缝孔联合斜孔进行灌浆，骑缝孔间距150cm，深度视裂缝发育深度而定；

(2)裂隙面接缝灌浆前，对缝面进行封闭处理。在缝口掏梯形槽，用掺加早强剂的M30预缩砂浆填槽，填槽24h后采用0.2MPa的灌浆压力进行接缝灌浆，灌浆材料采用CW环氧材料。裂隙面接缝灌浆需在浇筑下仓混凝土前进行；

(3)在其上布置双层并缝钢筋网(垂直缝向φ28mm@200，顺缝向φ14mm@200)；

(4)在上游迎水面凿V型槽(宽×深=8cm×5cm)，填筑SR塑性防渗材料，并进行表面保护。

4.2.2 坝体内混凝土裂缝处理

对坝体内的混凝土裂缝，按照处理坝体混凝土温度裂缝的措施进行。

(1)裂缝深度大于30cm时，钻斜孔灌浆，钻孔间距300cm，钻孔深度50cm～80cm。裂缝深度小于30cm时，则钻骑缝孔联合斜孔进行灌浆，骑缝孔间距150cm，深度视裂缝发育深度而定；

(2)裂隙面接缝灌浆前，对缝面进行封闭处理：在缝口掏梯形槽，用掺加早强剂的M30预缩砂浆填槽，填槽24h后采用0.2MPa灌浆压力进行接缝灌浆，灌浆材料采用湿磨细水泥。裂隙面接缝灌浆需在浇筑下仓混凝土前进行；

(3)缝面上放置半圆钢管(φ159mm×6)，其上布置双层并缝钢筋网(垂直缝向φ28mm@200，顺缝向φ14mm@200)，第1层钢筋网距离混凝土表面13cm，第2层钢筋网距离第1层钢筋网20cm。

4.3 压水异常的孔段混凝土处理

6#～7#坝段，坝体混凝土压水异常的孔，根据检测报告分析主要是浅表层有微裂缝连通串水，并非深部有裂缝存在，在清除顶层1m厚混凝土时，已一并进行了处理。

13#～15#坝段、19#～20#坝段存在压水异常的孔，处理措施为先采用湿磨细水泥灌浆后再封孔。

4.4 帷幕灌浆处理

经检测，“5.12”地震对已施工的帷幕质量基本无影响。因此，不需要对已经施工的帷幕灌浆作进一步处理，仅对已经施工的帷幕增加检查孔的数量，在原检查孔为灌浆孔总数10%的基础上，再增加灌浆孔总数5%的地震影响检查孔。

4.5 安全监测设备恢复

震后经对安全监测仪器的检查发现，有2支测缝计J6、J17和1组多点位移计M9-1受地震破坏影响，仪器震损。由于仪器修复困难，按在其附近补充增设处理。

5 抗震构造措施

5.1 坝后折坡处增设抗震构造钢筋

由于坝体挡水建筑物的设计地震烈度为8度，基岩水平峰值加速度达256cm/s2，经坝体地震动和三维有限元分析，地震时在坝体下游折坡部位出现应力集中，拉应力较大，因此将坝体下游折坡修改为圆弧型，同时增设了抗震构造钢筋。

5.2 坝体迎水面增设构造钢筋网

“5.12”汶川地震后，大坝混凝土局部受损出现了一些裂缝，特别是坝体上游迎水面的劈头裂缝危害性大。因此，为了增强坝体迎水面混凝土的抗震抗裂性能，也为了限制坝体迎水面可能出现的裂缝向坝体内延伸，参照国内工程实践经验，在坝体上游迎水面(高程603.00m以下)增设了限裂钢筋网(φ25mm@150)。

5.3 压力钢管镇墩增设抗震钢筋

压力钢管为坝后背管，镇墩位于厂房坝段进水口压力钢管上弯段，突出于坝体基本体型之外，地震时易产生破坏，在镇墩表面增设了构造钢筋网(φ22mm@200)。

5.4 导墙与边墩连接等部位增设抗震钢筋

对坝体的溢流坝段，在底孔导墙与边墩交接部位、表孔导墙与坝体连接部位、电梯井部位以及厂房坝段的进水口牛腿部位等体型复杂、突出于坝体以外的部位，增加了抗震构造筋。

5.5 坝体迎水面增设防渗涂料

“5.12”汶川大地震后，为了增加坝体混凝土迎水面的防渗性能，减小坝体迎水面混凝土开裂后的渗水压力及其破坏作用，减少混凝土裂缝继续发展的可能性，参照已建工程的经验，在高程659m以下的变态混凝土防渗层迎水面，增设了LJP型高分子柔性防水涂料层，作为辅助防渗措施。

6 抗震加固措施

6.1 19#坝段深层抗滑稳定抗震加固

地震动参数提高后抗震复核成果表明，右岸高坝段19#坝段的深层抗滑稳定安全系数最小值为2.20，不满足规范要求，需要进行抗震加固处理。由于当时19#坝段坝基处理已经完成，并且坝体混凝土已浇至569m高程，为减少对已浇筑混凝土的影响和不干扰坝体混凝土的正常施工，处理措施主要集中在对坝体下游抗力体的加固上。具体采取的工程处理措施为：(1)19#坝段坝趾后部的空腔作回填压重加强；(2)在下游抗力体部位的护坦上，布置2000kN级锚索共48根；(3)将位于下游抗力体部位的右岸护岸，由原设计的贴坡混凝土改为重力式混凝土挡土墙，并在挡墙背后用块碎石填筑至高程582.00m，以增加抗力体部位的压重。采取上述处理措施后，19#坝段抗震复核成果满足规范要求。

6.2 两岸非溢流重力坝抗震加固

武都水库工程左右两岸为非溢流重力挡水坝段，左岸非溢流坝段共12段(1#～12#坝段)长298m，右岸非溢流坝段共12段(19#～30#坝段)长313m，坝体设计为碾压混凝土重力坝，体型满足基本三角型。其顶点取为正常蓄水位高程658m，坝段下游坡为1∶0.75。

复核计算表明，地震动参数提高后，坝踵、坝趾应力加大，特别是对坝体相对单薄的左右岸挡水坝段，坝踵拉应力水平及范围均较大。为解决上述问题，设计在维持原设计基本三角型的基础上，调高了顶点高程，相应增大了坝体混凝土断面尺寸及坝基面宽度，因此对两岸坝基下游边坡坡脚作了二次扩挖处理。

6.3 岩溶发育部位帷幕灌浆抗震加强处理

武都水库大坝坝基帷幕灌浆一般为2排帷幕，孔距2m，排距1.8m。在前期设计中，仅考虑对右岸大坝岩溶发育强烈的下伏水平溶洞(摸银洞)部位帷幕灌浆采用3排孔，其余部位灌浆采用2排孔。“5.12”汶川大地震后，对两岸岩溶发育强烈的部位均增加了1排帷幕孔。

6.4 坝基固结灌浆加强处理

为增强坝基的完整、均匀性，提高抗震性能，对坝基的固结灌浆进行了加强处理。

(1)河床高坝段(9#～20#坝段)的坝基固结灌浆，原设计帷幕前深孔固结灌浆的排数为1～2排，孔深为15m～20m，地震后，深孔固灌的排数调整为3～4排，孔深调为20m。对位于6#溶蚀带和14#溶蚀带处的坝趾高应力区，原设计虽然已清除了溶蚀发育的部分，基本满足要求，地震后对该部位的坝基固结灌浆进行了加强处理，由原设计的深8m调整为20m，排数3～5排；

(2)在高、中坝坝段的坝踵、坝趾部位，增加了斜向上、下游的固灌孔，扩大了坝基固结灌浆范围。

6.5 坝基岩溶缺陷加强处理

通过震后岩溶洞穴的调查，虽然“5.12”地震对坝区岩溶洞穴地段没有直接造成毁灭性危害，仅个别溶洞内有掉块和垮塌的现象，但地震波作用力对埋藏型岩溶洞穴岩体仍有潜在的破坏影响。为减轻“5.12”地震对本工程岩溶缺陷造成的潜在破坏影响，同时防患于未然，加大了岩溶缺陷处理范围，提高工程安全裕度。

对于坝基内存在的影响坝基变形和稳定的溶蚀带，其中发育于27#～28#坝段的11#RSD和发育于21#～26#坝段地基内的9#溶蚀带范围和规模大，对坝基影响最为严重。在前期设计中，对溶蚀带主要采用加深、加密固结灌浆方式进行处理，在“5.12”地震后，为进一步提高坝基的整体性和抗震能力，对坝基中的溶蚀带作了加强处理。处理措施改为，对溶蚀风化较严重的部位采取清挖后置换混凝土的方案，处理更为彻底。

6.6 坝基断层、裂隙等地质缺陷加强处理

坝基地层内，存在一些影响坝基稳定和承载力的断层和裂隙等地质缺陷。在前期地基处理设计中，对坝基内出露的性状较差、规模较大的缺陷，采取了挖除后置换混凝土处理，对规模较小的地质缺陷则采取固结灌浆等加固方式进行处理。“5.12”地震后，为提高坝基的抗震能力，对前期进行简单处理的坝基地质缺陷(主要是断层和裂隙等)加强了处理力度，基本上都采取了挖除后置换混凝土的处理措施。

6.7 泄洪表、底孔抗冲蚀加强处理

在“5.12”地震之前，涪江干流所在地区森林密布，植被良好，沿河有少量泥沙补充，在前期设计中主要考虑清水出库，原设计泄洪底孔按清水河流进行表面钢衬保护，钢衬按统一厚度(δ=10mm)衬护，钢材为16Mn钢。“5.12”地震后，上游山体多处崩塌，边坡受损严重，水流的推移质增多，含沙量增大，因此需加大对底孔的钢衬保护，以提高其抗冲耐磨能力。在检修门槽以上的进口段，因不具备检修条件，采用不锈钢复合板；检修门后的泄洪洞身段和出口段，仍采用16Mn钢板，但增大了钢衬的厚度；同时为加强钢衬与混凝土的连接，加密了加劲环。

6.8 表底孔闸墩抗震加强处理

大坝坝身泄洪冲砂有压底孔共3个，弧门最大单铰推力为27000kN；表孔2个，弧门最大单铰推力为15000kN。

在前期设计中采用的是常规钢筋混凝土闸墩，“5.12”地震发生后，为增大表、底孔闸墩的抗震性能，增加闸墩的整体性，降低特殊工况下闸墩混凝土的拉应力水平，保证闸门在特殊情况下能正常开启，将钢筋混凝土闸墩调整为预应力闸墩。

6.9 下游护岸抗震保通处理

武都水库坝区低部位的永久交通道为左岸的高程580m公路，而右岸高程580m公路仅为施工临时通道。两岸地形在武引取水枢纽闸后地势平坦，武引闸前到坝后属于山区地形，两岸边坡陡峭，两岸高程580m公路沿河傍山而建。“5.12”地震发生后，为保证坝下游交通在特殊情况下畅通，为抗震抢险提供必要的交通条件，两岸应有必要的交通道通至坝后，因此将右岸高程580m公路也保留为后期可用的交通道。同时，为在紧急情况下放空水库时提高下游河道两岸的抗冲能力、固定河道，将原设计的护岸范围向下游延伸至武引一期取水闸前，即对坝体下游至武引一期取水闸前的两岸，也进行了整治防护。

7 结语

武都大型水库混凝土重力坝高坝在建设过程中遭遇大地震，需提高抗震设计动参数，使已施工结构和未施工结构均满足抗震设计要求，属国内外少有，设计难度大。设计单位最终依据震损检测及抗震复核成果，按照“中震不坏、大震可修、极震不倒、确保安全、留有裕度”的抗震原则，最大限度地减轻地震损害，对武都水库主体工程进行了全面的抗震安全性复核和评价，并采取切实可行的工程措施增加建筑物的抗震能力。包括清除处理已震损的混凝土、增加抗震构造措施、对经复核安全性不足的部位进行补强加固处理，对后期特殊工况下可能出现危及工程安全的部位进行加强处理，适当增大坝基下岩溶洞穴的处理范围，预留抗震抢险通道等。经过抗震设计复核和加强、加固处理，武都水库工程已建和在建的建筑物，均满足提高地震动参数后的抗震设计要求。

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