支墩坝加固新技术

2016-07-14挪威库努夫

水利水电快报 2016年6期

[挪威]　T.库努夫

支墩坝加固新技术

[挪威]T.库努夫

摘要：支墩坝建成后，随着坝体老化，需要开展大量的修复工作。为此，提出了一种支墩坝重建和加固的新方法，而旧坝则可作为新坝浇筑的模板，该技术在挪威获得专利。实践证明，当修建新坝是唯一选择时，该技术经济合理，且实施时可不放空库水。介绍了该项新技术在支墩坝和连拱坝修复工程中的应用情况，并从稳定性和投资方面阐述了其优势。

关键词：支墩坝；连拱坝；重建；修复；坝加固；新技术

近年来，大坝安全标准不断提高，很多支墩坝已不能满足现行标准对强度和整体稳定性的要求。因此，需要对目前正在运行的一些支墩坝进行修复，而在某些情况下重建新坝可能是唯一选择。

最近一种新型专利技术应用于挪威平板支墩坝修复工程中，相比拆除现有坝并重建新坝，可节省投资约40%，修复后大坝的稳定性和安全性都较好。该修复技术特别适用于诸如平板支墩坝和连拱坝等轻型结构的支墩坝。本文主要论述该项技术在支墩坝和连拱坝修复工程中的应用。

即使与重建新坝投资相当，该技术也是优选方案，因为在提高运行安全性方面，支墩坝比其他传统坝型更具有优势。

1支墩坝

根据国际大坝委员会的大坝技术词典，支墩坝分3类，即平板支墩坝(面板坝)、连拱坝以及大头坝。

支墩坝的特点是上游面防渗，防渗体下游由一系列支墩支撑，支墩将水荷载传递给地基。通常支墩沿坝轴线方向等距布置，一般支墩间距5～20 m，取决于坝体大小和设计。由于支墩之间存在敞开部分，支墩坝有时也称为空心坝。

在美国，平板支墩坝有时也被称为安布森(Ambursen)式坝，因为这种坝型是美籍挪威裔工程师安布森在美国注册的专利。在挪威，平板支墩坝也被称为格罗纳(Grøner) 坝，是国际大坝委员会前主席C.F 格罗纳对安布森式坝的改进型，垂直平板接缝置于平板零力矩点上，可以减少平板中的配筋。得益于这两位工程师，挪威和美国是世界上拥有平板支墩坝最多的国家，挪威有240座平板支墩坝，其中44座为大型坝。

2挪威支墩坝面临的挑战

挪威支墩坝基本上为平板型，仅个别特例除外。多数支墩坝均建于20世纪50、60年代，运行现状与运行年限、施工质量和运行环境密切相关，影响建筑物现状的因素主要有冻融、钢筋腐蚀和骨料碱活性反应，通常也受到这些因素的综合影响。

另外，建筑物稳定性需要满足现行安全标准的要求。在挪威，随着2001年新规范的实施，稳定性标准要求提高(现行支墩坝稳定标准见表1)。新规范也要求对已建大坝进行复核，复核结果表明，很多平板支墩坝不能满足抗滑(抗倾)要求。

另外，挪威大坝安全局计划实施一项禁令，将传统平板支墩坝列为最高危险等级。这项禁令也适用于已建大坝。

表1　挪威平板支墩坝稳定性要求

综合考虑上述因素，需要加固或修复的平板支墩坝数量较多，有时重建新坝是唯一选择。

3克洛卡温坝

克洛卡温(Krokavatn)坝高19 m，总坝长100 m，主坝长50 m，为平板支墩坝。

大坝为典型挪威平板支墩坝，上游面板与水平面夹角50°，由间隔5 m的8座混凝土支墩支撑，面板顶部厚度0.30 m，底部增至0.80 m。

宽50 m的混凝土溢洪道布置于右坝肩，溢洪道与大坝间坝轴线存在一个拐点。经过多年运行，坝体和溢洪道之间的混凝土墙产生了裂缝，导致满库运行时大坝有明显的渗漏。

克洛卡温坝重建布置详见图1。

图1　克洛卡温坝重建布置示意

3.1大坝安全评价

2012年，业主组织了大坝安全评价，对大坝安全性进行了全面评估。

评估结果表明，大坝不满足现行标准中抗滑和抗倾稳定性要求。由于该坝是高危建筑物，挪威大坝安全局决定拆除重建。

3.2碱骨料反应

大坝安全评价还指出坝体混凝土存在碱骨料反应，通过对大坝的观测发现，长8.45 m的面板水平伸长了15 mm，伸长率0.18%，由此在钢筋混凝土面板中产生的拉应力为360 N/mm2。而设计钢筋混凝土面板拉应力极限强度为400 N/mm2，实际拉应力接近屈服强度，因此得出结论，需严格限制水库在最高水位以下2.5 m运行。

3.3重建工作

为了提高大坝安全性，决定采用原支墩墙作为模板，每隔一个空心段浇筑一个新支墩(如图1所示)。增加的支墩重量将保障坝体稳定性要求。另外，由于碱骨料反应，原有面板承载力不足，必须在原有面板上浇筑新混凝土面板。

重建后，原有坝体仅仅成为新坝的外壳，对新坝的稳定性和强度不起任何作用。

迄今为止，在几个方案中，支墩坝重建是最经济的方案，如表2所示。由于该项目为试点项目，重建技术在挪威申请了专利。

3.4稳定性评价

坝体稳定性计算表明，表2中的重建支墩坝方案稳定性最好，主要是因为新支墩和新面板自身重量增加了坝体稳定性。重建前后稳定性比较见图2和图3。

表2　不同坝型投资估算(1挪威克朗=6.43美元)

图2　设计洪水高于正常蓄水位0.5 m时新老坝体稳定性比较

图3　设计冰荷载条件下(100 kN/m)新老坝体稳定性比较

稳定性计算表明，新坝的稳定性良好(安全系数大于2)，远超挪威规范规定，抗滑稳定安全系数比现有坝体高出1。

简而言之，新坝是平板支墩坝和大头坝的结合体，作用在倾斜面板上的静水压力由大量的支墩支撑，再加上孔隙水压力的降低，坝体结构非常稳定。

3.5施工进展

如前所述，由于碱骨料反应，2012年大坝安全评估要求水库严格控制在正常蓄水位以下2.5 m运行，因此大坝业主希望尽快重建。

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由于坝址位于山区，冬季交通中断，因此施工只能在6～10月开展。2014年夏季，完成了7 000 m的施工道路和上游面板的浇筑。新支墩将在2015年夏季完工。

图4　下游新建面板方案

4加固平板支墩坝的其他方法

可以对克洛卡温坝的加固措施加以改进，以应用于其他平板支墩坝。

4.1下游建新面板(方案A)

加固措施示于图4，加固过程中不需要将库水放空，在某些情况下具有非常大的优势，这一方法可用于稳定性和强度都不满足要求的支墩坝加固。

图4中，D-D是新支墩横剖面图，在原面板下游进行新混凝土面板的浇筑。C-C为施工缝布置图，表明新支墩和新混凝土面板的结合方式，新支墩的浇筑可在切断原支墩之前完成。

4.2新建支墩(方案B)

此方案详见图5，建新支墩无需降低库水位，可用于稳定性不满足要求的支墩坝。

图5　新建支墩方案

图5中，H-H是新支墩横剖面图，无需新建混凝土面板。G-G是必要时对面板进行加固的平面布置图，为加强混凝土面板稳定性，可在面板后安装一系列支撑梁。在上游面板没有大的破损或渗漏且仍可起到上游面防渗作用的情况下，常采用这一方案。

5连拱坝的加固

连拱坝通常比平板支墩坝高，由于拱的跨度比平板大，支墩间距也大，因此作用在坝体内与建基面上的应力比平板支墩坝要大得多。对某些老支墩坝的有限元分析表明，坝体内有应力异常区分布。

下列实例表明，克洛卡温坝的加固技术也能运用到连拱坝中。

5.1重建大头坝(方案C)

连拱坝重建包括新建支墩和混凝土面板两部分内容：新支墩浇筑在原支墩间的空心段，每隔一空心段浇筑一新支墩；在连拱坝混凝土面板上游浇筑新混凝土面板，其设计如大头坝的头部，因此新坝体可以定义为大头坝，如图6所示。图中L-L是新支墩剖面图，K-K为平面图。图中显示上游混凝土面板厚度恒定，实际厚度随着大坝高度和水压而变化。