水电工程中的混凝土置换加固效应研究综述

鞠智敏 费海燕

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410014）

水电工程中的混凝土置换加固效应研究综述

鞠智敏 费海燕

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410014）

多年的工程实践证明对于受软弱结构面控制的边坡或坝基岩体的滑动破坏问题，混凝土置换洞是一种合理有效的加固方式，其能有效地从局部改变坝基和滑坡体的受力平衡，阻止坝基和滑坡体变形的延展。混凝土置换洞加固的研究重点不断深入，研究范围不断拓宽，使得其在工程应用的安全稳定性得到了极大的保障。为此，对混凝土置换洞加固在水利水电工程中的应用和研究进行总结，并针对应用和研究中存在的不足以及值得进一步深入研究的若干内容进行阐述，为今后的工程应用和研究提供参考。

混凝土置换；加固效应；研究进展；坝基；边坡

1 引言

在复杂水利水电工程实践中，不良地质条件带来的坝基和边坡稳定性问题十分突出。首先是修建在岩基上的混凝土坝，其坝址由于经受长期的地质作用，通常坝址处都会有构造断裂和软弱破碎带的存在；其次是位于高山峡谷中的水电工程，普遍存在岩质高边坡稳定问题，岩质边坡异于一般土质边坡，其特点是岩体结构复杂，断层、节理和裂隙互相切割，块体极不规则，且也存在含有软弱岩层或夹有粘土和其它泥质充填物而形成的软弱结构面。这些构造断裂及软弱破碎带的存在，给工程的设计、施工和安全带来诸多不利影响。例如存在于坝基和岩坡内的软弱结构面，由于岩层厚度较薄、岩性软弱，变形模量低且遇水易软化或泥化，使其强度大大降低。大坝修筑在具有构造带的坝址后，必然会产生不均匀沉陷和应力分布，形成坝体局部应力恶化甚至开裂和破坏；构造带的抗剪指标低，易形成滑移通道，破碎带的渗透系数较大，也易成为透水通道。

以上说明有必要正确处理水利水电工程中坝基和边坡的构造断裂和软弱破碎带，防止其失稳给工程造成损失。目前处理的主要工程措施有：挖出回填混凝土设置混凝土洞、混凝土齿墙、混凝土桩、传力柱、预应力锚，并结合固结灌浆、设置防渗帷幕和排水措施。修建在岩基上的混凝土坝，对地基中的软弱岩层带来说，如果仅分布于地表，可采用挖除的办法，但对于呈条带状分布，且较深的软弱破碎带或断层而言，则必须进行局部挖除后再回填混凝土；对于岩质边坡，岩体内的断裂面或软弱结构面往往就是潜在的滑动面，同样可以开挖软弱带后用混凝土填塞断裂部分，以提高结构面的抗剪断能力。两者所回填的混凝土均可称之为混凝土塞、抗剪洞或置换洞。通过多年的工程实践证明混凝土置换洞加固是处理深层破碎带的有效方法。

2 工程应用及研究现状

在我国已建和在建的混凝土坝中，许多坝的复杂岩基是采用混凝土置换洞的处理方法，如早期的凤滩拱坝、紧水滩拱坝、流溪河拱坝、龙羊峡水电站和安康水电站，国内不少学者对混凝土置换洞加固进行了研究。赵炳祯、李瓒、孙志恒等均对龙羊峡水电站重力拱坝的基础处理进行了分析：赵炳祯根据电站坝址的地质地形条件，说明了采取混凝土置换洞处理复杂岩基的必要性和优势；李瓒根据龙羊峡重力拱坝断层的混凝土置换处理的二维及三维弹塑性有限元分析和地质力学模型试验，得出断层深部采用75000m3混凝土置换处理后，坝肩岩体刚化，承载力显著提高，工程后期的观测资料表明拱坝坝肩的加固效果比较理想；孙志恒通过龙羊峡水电站和安康水电站复杂岩基处理前后坝体稳定情况的比较，结果表明用混凝土置换洞方案处理复杂岩基中的构造破碎带效果显著，同时对混凝土洞塞的分类及其作用、混凝土洞塞的施工关系以及混凝土洞塞可能破坏的形式做了简单介绍。安康水电站拦河坝对含产状单一，分界明确的缓倾断层坝段，采取以混凝土抗剪洞塞或抗剪桩为主的加固处理措施以增强坝基的抗滑能力。段亚辉等对加固重力坝基础缓倾角软弱结构面抗滑洞塞系统的破坏机理进行了分析，认识到抗滑洞塞的受力状态和破坏机理是复杂的，其最终的破坏形式与洞塞布置位置、高宽比、以及硐塞混凝土和周围岩体的物理力学性质等有关，因此对混凝土抗滑硐塞的最优布置区域也进行了分析。

饶红玲通过两端简支深梁查表法、反力弹性地基梁法对混凝土塞的应力计算方法进行了探讨，认为混凝土塞的应力计算是一个较复杂的课题，其应力计算应从实际情况出发，经过综合分析比较后得出合理的计算方法，计算结果与有限元法计算结果相对比，得出较为合理的置换深度和应力。司志明根据青铜峡水电站的原型观测成果分析了断层混凝土塞的设计问题，认为坝基断层混凝土塞的实际工作条件复杂，以往一些设计理论有一定局限性，不能从理论上阐明混凝土塞的实际作用，对其传力情况不够明确，设计方法也存在不合理。根据已有的一些监测研究成果，一般按基础深梁的理论设计混凝土塞，由于只考虑了坝体传来的垂直正应力和充填带的弹性抗力，而忽略了断层两侧坚硬岩壁的抗力和坝体刚度的作用，以及混凝土塞的几何尺寸、温度应力等因素的影响，使得计算假定与实际情况出入较大。赵永刚介绍了二滩拱坝坝基软弱带处理方法，对置换回填混凝土深度、混凝土塞的结构计算和配筋、混凝土塞的温控、置换混凝土外掺MgO技术的应用、置换混凝土块的稳定做了一定分析。王明华针对宝珠寺水电站左坝肩置换洞混凝土的施工设计存在的一些问题进行了改进，包括混凝土的入仓方式、垫层封底、断面一次浇筑成型以及止浆方式等。丁秀丽等通过银盘水电站的三维极限平衡分析，得出该工程左岸坝肩边坡采用置换阻滑键与锚索联合加固措施较为合理，预应力锚索与阻滑键的联合加固，既可以解决岩体的变形失稳问题，也可以有效地防止局部块体的破坏，同时指出阻滑键设计的重要参数是层间剪切置换率。

陈卫忠等根据小湾水电站拱坝的三维非线性有限元计算成果，左右岸坝肩采用锚索、锚杆和锚固洞等措施加固坝肩后，坝肩的岩体稳定性得到改善，坝体位移明显减小，并且对比加固方案经济指标，小湾坝肩较优的加固方案为锚索/杆或锚索/锚固洞联合支护。李秀龙根据小湾水电站拱坝工程施工经验，对坝肩抗力体地质缺陷处理加固布置设计、施工方法、施工成果和施工监测进行了介绍。周述椿等对拉西瓦水电站拱坝左岸坝肩抗剪洞布置进行了探讨，认为拱坝坝肩双斜侧或底滑面的分析很重要，根据地质状况要多角度、多方式地截分剖面和块体，从而计算出最不利情况下的抗滑稳定安全系数作为抗滑设计的依据。

宁宇、徐卫亚等采用三维数值模型，模拟白鹤滩中坝址主要地质现象及相关工程措施，分析得出设置抗剪洞后，抗剪洞部位的岩体位移连续，断层F33位移错动减小，不过抗剪洞设置只对其设置区域的局部应力和位移有影响，而下游岩体影响不明显。戴妙林、王凤昊、陈威等基于白鹤滩水电站左岸边坡处理项目，对混凝土置换洞加固效应及更为局部的置换洞混凝土的变形和应力分布规律进行了一定研究。向柏宇等以锦屏Ⅰ级水电站左岸边坡为例，较为系统地阐述了在大型边坡工程治理中，深埋混凝土抗剪结构的加固原理及运用条件、洞线设计及洞型选择、开挖方式和施工程序设计、回填混凝土结构和灌浆设计，认为在大型岩质边坡治理中，深埋混凝土抗剪结构中的深埋结构面置换抗剪效果明显。陈丹桂针对锦屏一级水电站左坝肩岩体卸荷十分强烈以及其地质条件复杂，导致抗剪洞的施工难度大，采取置换洞周围固结灌浆手段，从而确保了抗剪洞锚固效果及洞周围岩的稳定。

混凝土置换加固在国外也有不少应用和研究，在边坡加固和坝基加固中都有广泛的应用。美国的格林皮特重力坝、巴西的依泰普空腹重力坝等均采用混凝土抗滑硐塞加固。Siegris和Tobio对Itiyuro坝中使用混凝土置换加固措施处理岩基的软弱结构面进行过介绍。早在1988年，简伯格-科里森斯根据自己多年的工程经验，对水电工程中高压混凝土塞的设计做过专门详细地研究，其主要考虑高水头压力下混凝土塞与岩石接触面处的渗透问题，一般要经过几次后期灌浆，使得渗漏下降到容许的程度，同时对塞子的长度和水压力的关系进行分析。Prabhat Kumar等在设计高围岩压力下的混凝土置换洞时，考虑了由于大体积混凝土带来的温控问题。

3 存在的问题及展望

混凝土置换洞由于其位置的特殊性和重要性，设计需十分严谨，因此要对其进行详尽可靠的分析研究，以期达到最佳加固效果和最为经济的工程建设。作者通过对国内外文献的查阅，认为混凝土置换加固在以下方面还有待进一步研究和分析：

（1）目前的一些置换加固效应研究一般侧重于置换加固后的整体稳定性分析，而对加固置换体本身的应力分布、破坏状态的研究则较为少见。八十年代有学者应用刚体极限平衡法对置换洞做过研究，但是这很难考虑置换洞工作的复杂受力条件，无法全面的考虑置换洞在各种工况下的受力变形形态。随着数值计算分析手段的不断进步，其优势在工程分析中已得到体现，因此有必要对相关问题进行数值仿真模拟。

（2）对于置换洞混凝土的配筋，文献仅根据传统弹性力学方法对钢筋进行配置，并未根据混凝土具体受力形态及可能出现裂缝位置等进行钢筋配置，文献中提出置换洞的受力破坏形态与诸多复杂因素有关，仅将置换洞作为梁考虑进行配筋计算已不够准确，随着钢筋混凝土的本构模型研究的不断完善，应用数值软件完全可以对置换洞进行合理的配筋分析。

（3）在一定的工程地质条件下，影响因素对坝基和边坡失稳的贡献是不同的，混凝土置换加固对坝基和岩质边坡稳定性有重要作用。有必要探讨岩质边坡混凝土置换加固体各物理和力学参数的浮动对边坡稳定性所造成的影响。得出各种因素的敏感性，可以使得置换洞设计更加有迹可循，使工程更加经济。

4 结语

本文阐述了混凝土置换加固方法的基本原理、应用条件和优势，总结该加固方法在国内外的工程应用和研究状况。混凝土置换洞与周围的岩体、软弱结构面的相互作用，以及置换洞在外荷载作用下的受力状态和破坏机理较为复杂，有关研究人员做了许多研究工作，但仍缺乏对置换体变形、应力和屈服状态较为完善的认识。随着目前工程要求的不断提高，工程条件的不断恶劣，有必要对混凝土置换洞存在的相关问题运用新的研究技术和手段进行更加详细的研究分析，这样才能保证工程的安全稳定性和经济实用性。

[1]李瓒.龙羊峡重力拱坝的断层深部处理[J].岩石力学与工程学报，1998，7(4)：335-345.

[2]段亚辉，王宏硕，陆述远.重力坝坝基抗滑硐塞破坏机理的分析[J].武汉水利电力学院学报，1990，23(1)：10-17.

[3]饶红玲.混凝土塞应力计算方法浅析[J].四川水力发电，1996，6(3)：73-77.

[4]戴妙林，鞠智敏.岩质边坡混凝土置换洞变形特点及加固效果分析[J].水电能源科学，2012，30(7)：123-126.

[5]向柏宇，姜清辉，周钟等.深埋混凝土抗剪结构加固设计方法及其在大型边坡工程治理中的应用[J].岩石力学与工程学报，2012，31(2)：289-302.

[6]简伯格-科里森斯.水电工程中高压混凝土塞的设计[J].国外科技，1991.

G322

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1007-6344（2017）10-0273-02

吴志诚 九江县公安消防大队技术8级工程师

作者简介：鞠智敏（1987—），男，工程师，研究方向为水利水电工程施工组织设计。