万家沟拱坝除险加固方案研究

2017-08-09范瑞朋

水利水电工程设计 2017年2期

范瑞朋任堂朱涛訾娟

万家沟拱坝除险加固方案研究

范瑞朋任堂朱涛訾娟

万家沟水库挡水坝为混凝土双曲拱坝，水库于1997年建成，运行近20年，存在诸多不安全隐患。2009年被鉴定为三类病险坝。通过对万家沟拱坝坝体应力的复核及除险加固方案的研究，明确了大坝存在坝体拉应力超标等问题, 提出了解决问题的方案,研究了坝体3个加固的方案 (恢复保温层、重力坝加固、拱坝加固)，综合比选后, 推荐采用拱坝加固处理方案。

病险水库除险加固双曲拱坝

1 工程概况

万家沟水库位于内蒙古自治区土默特左旗的万家沟上，是一座以防洪为主、兼顾灌溉的综合利用水库。水库总库容2 576万m3，为中型水库，该水库挡水建筑物为混凝土变厚三心圆拱坝，拱坝最大坝高56.79 m，弧长275.06 m，拱顶厚度为3.8 m。万家沟水库坝体混凝土浇筑于1997年基本完成，工程投入运行，但基础灌浆、接缝处理、拱坝下游底部保温模板等工程并未完工，水库一直低水位运行。大坝运行至今，坝体存在接缝处多处漏水，坝面保温板脱落，泄洪冲沙洞闸门止水失效等问题。 2009年3月, 内蒙古自治区水利厅组织专家对大坝进行了现场检查和安全鉴定。鉴定水库大坝安全类别为三类坝。针对大坝出现的问题，对大坝进行除险加固设计。

2 拱坝应力复核

2.1 计算方法

坝体应力计算采用多拱梁法，选用水科院编制的ADASO计算程序。将拱坝分成6拱13梁，各层拱圈高程依次为1 129.41、1 118.41、1 107.41、1 096.41、1 085.41、1 077.21 m。

2.2 计算工况

根据规范规定，确定计算荷载组合工况为：

①水库正常蓄水位及相应的尾水位和设计正常温降；

②水库正常蓄水位及相应的尾水位和设计正常温升；

③水库死水位及相应的尾水位和此时出现的设计正常温升；

④设计洪水位及相应的尾水位和此时出现的设计正常温升；

⑤校核洪水位及相应的尾水位和此时出现的设计正常温升；

⑥水库正常蓄水位及相应的尾水位和设计正常温降加地震；

⑦水库正常蓄水位及相应的尾水位和设计正常温升加地震。

其中工况①、②、③、④为基本组合，工况⑤、⑥、⑦为特殊组合。

2.3 计算参数

2.3.1 坝体混凝土

变形模量E：2.0×107kPa；泊松比μ：0.167；线胀系数：0.8×10-5/℃。

2.3.2 基岩

变形模量ER：1.0×107kPa；泊松比μ：0.2；线胀系数：0.8×10-5/℃。

2.4 封拱温度

原拱坝封拱温度见表1。

表1 原拱坝各高程封拱温度

2.5 计算结果

各种工况计算出的最大拉、压应力值见表2。计算结果中规定：正为压应力，负为拉应力。拱冠梁最大位移：正为指向下游，负为指向上游。

表2 坝体各工况主应力计算成果表

计算结果表明，在工况①、工况③、工况⑥情况下拱坝最大主拉应力远大于规范规定的允许值，坝体易开裂。在工况②、工况③、工况④、工况⑥、工况⑦情况下坝体最大压应力也大于坝体现状允许压应力，不满足大坝安全运行要求。

3 加固方案研究

根据本次工程病险调查与分析，结合工程安全鉴定结果，坝体结构问题为：坝体断面单薄，混凝土强度等级低于设计值，坝体存在结构安全隐患,且坝体上下游保温板脱落后，坝体受力状态恶化，温度荷载直接作用于坝体，结构安全隐患进一步加剧。同时，坝体混凝土与地基结合不良，影响坝体结构正常受力。

本工程除险加固处理方案选择原则确定为：在充分利用现有结构基础上，通过不同方案比选确定坝体结构最终加固方案，特别注意温度荷载和地震荷载对坝体结构的影响。最终拟定3个方案(见图1)进行计算分析比较：(1)恢复保温层方案；(2)重力坝方案；(3)拱坝加厚方案。

图1 坝体加固方案拱冠梁断面图(单位：m)

3.1 计算分析

3.1.1 恢复保温层方案

由于保温板对温升荷载影响不大，但对温降荷载有明显的降低作用，因此，只对①正常蓄水位+温降及⑥地震+正常蓄水位+温降两种工况进行计算分析，计算结果见表3。

表3 有保温板坝体各工况主应力计算成果表

计算结果表明，恢复保温板可有效地降低温降荷载产生的拉应力，工况①的坝体最大主拉应力已满足规范规定的允许值，但在地震荷载作用下，坝体最大主拉应力仍较大，且下游坝体最大压应力增加近10%，均不满足规范要求。

3.1.2 重力坝方案

考虑到坝体现状，在坝体后面贴混凝土来改变坝体受力状态，不考虑拱的作用，只对原拱坝横缝进行止水处理，利用坝体自身重力来承担水荷载及温度荷载，即按重力坝型式对坝体进行加固，来满足坝体结构安全要求。

计算取最大坝高处，即原拱坝拱冠梁处为典型剖面，按抗剪断公式计算(f′=0.7，c′=0.6 MPa)，结果见表4。

表4 重力坝方案计算工况及计算成果表

计算结果表明，在各种组合下，坝基应力及抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

3.1.3 拱坝加厚方案

原坝体横缝进行环氧树脂灌浆，封闭渗漏通道，采用坝下游整体加厚的方法。此方法加大了坝体和坝肩的接触面积，在温升时将增大拱端推力，不利于坝肩稳定。在温降时，连续的加固拱圈易产生裂缝。采取在坝后全面加厚的混凝土中设置横缝，即用类似支墩的垂直梁在坝后对坝体进行全面加固，这样即可使加厚的新混凝土承载部分水压，减小坝体的温度变化；又可使新贴混凝土不产生较大的拱座推力。根据水库的运行特点，对3种不利工况进行计算：①水库正常蓄水位及相应的尾水位和温降；③水库死水位及相应的尾水位和温升；⑥水库正常蓄水位及相应的尾水位和温降加地震。计算结果见表5。

表5 拱坝加固方案最大应力及位置表

计算结果表明，各工况的坝体最大主拉、压应力均满足规范规定的允许值。

3.2 方案比选

按原设计恢复保温层，在地震工况及温升工况下坝体应力仍超出现状规范规定的允许应力值，大坝结构安全隐患得不到彻底解决。同时，通过在坝体表面加设保温层来达到降低温度变化对坝体应力的影响的方法，在工程上主要作为防止坝体表面裂缝的产生而做的预防安全措施，作为永久工程措施其可靠性、耐久性、时限性较差；因此，根据现状情况，此加固方案不宜采用。

重力坝方案结构作用清楚，设计、施工较为简单，对混凝土强度要求低，但其体积较大，耗材较多，材料强度未得到充分利用。

拱坝加厚方案主要是利用拱梁分载，充分发挥混凝土的抗压强度，坝身断面较小，耗材较少，混凝土自身的抗压和抗拉性能得到了充分发挥，因此，将拱坝加厚方案作为万家沟水库除险加固工程的推荐方案。