新安江右岸岸坡坝段侧向稳定处理方案研究和实施

赵新华

（国网新源水电有限公司新安江水力发电厂，浙江 杭州，311608）

1 概述

新安江混凝土重力坝右岸岸坡坝段施工期间，由于种种原因，3号、4号坝段的建基面未开挖出足够范围的平台，因此存在侧向稳定问题，一直是大坝安全运行的一个隐患。大坝建成后，针对此问题进行了大量的计算分析工作及一些工程处理措施，历次计算分析的主要结论都认为：3号、4号坝段在单独受力的情况下侧向稳定安全度不满足规范要求，考虑3～6号坝段联合受力后可满足规范要求，因此3～6号坝段间横缝的并缝处理可解决3号、4号坝段的侧向稳定问题。在以往的工程处理中，进行了3～7号坝段横缝并缝灌浆试验、2～7号坝段坝基固结灌浆补强以及坝基面布置抗剪钢棒，这些工程处理措施在一定程度上增强了右岸岸坡坝段的侧向稳定，但3～6号坝段间横缝并缝所传递的荷载仍未达到大坝侧向稳定的要求，未能彻底解决其侧向稳定问题。

2008～2009 年第三次大坝安全定检期间，定检专家组、新安江电厂和华东勘测设计研究院等有关单位对以往的研究成果和工程处理措施进行了系统的总结，结合多年来大坝运行期间的监测成果，对大坝的运行状况做出了总结和评价，复核了坝基地质参数，结合运行期扬压力监测成果，利用刚体极限平衡法和三维有限元法对大坝的侧向稳定进行了更为准确的复核计算。在以上大量的总结和研究工作的基础上，对右岸岸坡坝段的侧向稳定问题基本有了明确的认识，提出了各坝段间横缝并缝需要达到的连接强度，为彻底解决右岸岸坡坝段侧向稳定问题提供了依据。

2 以往的研究与复核成果

2.1 浙江大学1995年完成的《大坝右岸3～6号坝段稳定性分析》主要成果

（1）计算表明，3号坝段不论沿坝轴线方向（侧向）、上下游方向以及沿合力方向的抗滑稳定安全度均不足，4号、5号坝段沿坝轴线方向与上下游方向的抗滑稳定安全度能满足规范要求，仅沿合力方向的安全度稍偏小（2.5左右）。

（2）3号坝段抗滑稳定安全度偏小的原因，主要是由于坝基面抗剪断参数f′、c′较小，坝基开挖时未形成足够宽度的平台，扬压力较高等。

2.2 第三次定检期间华东勘测设计研究院2009年完成的《右岸3～7号坝段侧向稳定补充复核报告》主要成果

（1）各坝段单独受力的情况下，3号、4号坝段的抗滑稳定安全系数不满足规范要求，5号坝段的抗滑稳定安全系数满足规范要求。

（2）经计算，需考虑3～6号坝段间横缝的传力作用方可保证右岸岸坡坝段的抗滑稳定安全。

（3）右岸岸坡坝段侧向稳定安全的关键在于3～4号、4～5号、5～6号坝段间的横缝能否传递计算所需的推力和剪力。经计算：3～4号横缝需传递推力175 687 kN、剪力128 924 kN；4～5号横缝需传递推力468 931 kN、剪力295 846 kN；5～6号横缝需传递推力92 629 kN、剪力152 769 kN。

3 处理方案对比分析

3.1 方案1：横缝灌浆

对于横缝灌浆方案，优点是若能有效充填横缝间的空隙，则大坝整体性可明显增加，但以往的横缝灌浆施工经验表明，大坝间横缝错位严重，横缝面呈非常不规则的锯齿形状，因此很难钻孔形成有效的骑缝孔，灌浆效果很难得到保证。另外，灌浆的费用更高，且后期运行时的质量检查工作也很困难。

3.2 方案2：各坝段间设置对穿预应力锚索

该方案施工难度较大、造价高昂。

3.3 方案3：在宽缝中回填混凝土

对宽缝回填方案，施工难度较低，浇筑混凝土的质量也更加容易控制，宽缝间新增的回填混凝土可有效增强大坝间的整体性。另外，宽缝回填费用也更低一些，运行期的质量检查工作也更简便一点。

综合以上，宽缝回填方案在增加大坝整体联结强度、经济性、可施工性、运行方便性等方面均具有优势，因此本次处理选择宽缝回填方案。

4 处理方案主要研究内容

采用刚体极限平衡法和有限元法，计算分析坝段间需要传递的推力值和剪力值，明确宽缝内需回填混凝土的面积和部位。通过资料收集、国内类似工程调研、现场试验等选定回填混凝土材料。

4.1 主要研究内容和思路

（1）结合以往的研究和复核成果，研究需回填的宽缝。

（2）依据第三次大坝安全定检期间经刚体极限平衡法计算得出的坝段间横缝需传递的推力和剪力成果，研究需要回填的面积。

（3）采用三维有限元法，对不同回填部位的方案进行计算和比较，同时，综合考虑现场实际情况，研究回填混凝土的位置。

（4）最后研究回填混凝土采用的混凝土材料。

4.2 主要研究步骤

本次研究中的主要难点在于确定需要回填的面积和回填的部位，基本思路是采用刚体极限平衡法计算确定需要回填的面积，采用三维有限元法计算来确定回填的位置，主要是基于以下考虑：

（1）刚体极限平衡法的力学假定明确，计算过程简便，所需的参数可由常规的室内外试验结合工程经验确定，而且经过了长期广泛的使用，积累了大量的工程经验，形成了一套定量评价的安全系数标准，是规范中规定的基本计算方法。因此，在确定需回填的面积时，采用刚体极限平衡法。

（2）刚体极限平衡法将坝段简化为不变形的刚体，无法模拟不同回填部位的效果，因此，采用三维有限元法来对不同回填部位的方案进行计算和比较，研究回填混凝土布置的位置。

（3）需回填的宽缝。根据大坝安全第三次定检期间的3～6号坝缝传力可靠性核查成果，除4～5号坝缝外，其余坝缝均可传递计算所需的作用力。因此，将4～5号坝缝加强至设计要求，可解决右岸岸坡坝段的侧向稳定问题。对于5～6号宽缝，由于本次回填有施工条件，增加回填的成本较小，建议也一并进行回填，以增加大坝的安全裕度。

（4）需回填的面积。第三次大坝安全定检期间提出的4～5号横缝需传递的推力和剪力分别为：推力N4-5=468 931.05 kN，剪力R4-5=295 846.12 kN。4～5号坝段宽缝需回填混凝土面积为142.11 m2方可保证传递所需推力，可传递剪力为375 144.84 kN，大于295 846.12 kN，也满足要求。

5～6号横缝需传递的推力和剪力分别为：推力N5-6=92 628.89 kN、剪力R5-6=152 768.74 kN。故至少需回填的面积为28.07 m2方可保证传递所需推力。当回填面积28.07 m2时，可传递剪力为74 103.11kN，小于R5-6，不满足要求，按剪力来计算所需面积为57.87m2，此时，可传递推力为190 960.9 kN，大于 N5～6，满足要求。

（5）回填位置的研究。宽缝回填混凝土位置的研究采用三维有限元法，通过对不同回填部位的方案（方案1：宽缝内回填混凝土布置在上游区域；方案2：宽缝内回填混凝土布置在中部区域；方案3：宽缝内回填混凝土布置在下游区域）进行模拟计算和比较，以寻找传力效果最好的回填位置。同时，综合考虑现场实际情况，最终确定回填的位置。

图1 三维有限元计算网格图Fig.1 Grid of three-dimensional finite element calculation

图2 宽缝内回填混凝土位置示意图Fig.2 Backfilling concrete location in slotted gravity dam

4.3 主要研究成果

利用三维有限元法计算了考虑坝段间传力效应后各坝段的坝体变形、应力和稳定安全度，考虑坝段间传力效应后，各坝段的抗滑稳定面安全度都超过3.0，满足规范要求。

同时，利用三维有限元法对宽缝内回填混凝土布置不同位置的方案进行了计算对比分析，计算结果表明回填混凝土布置在上游、中部和下游区域时，大坝的位移、应力及整体稳定安全系数的差别很小，三个方案的传力效果基本相同。因此，从传力效果方面来看，回填混凝土布置在上游、中部、下游区域或通仓浇筑都是可行的。另外，从现场实际情况来看，目前宽缝内的上游和中部布置有观测房，搬迁代价大，因此，本次处理采用回填在下游的方案。

5 结语

经计算分析明确地提出了各坝段间横缝需要传递的推力和剪力，同时核查了3～6号坝段间坝缝的传力可靠性，为彻底解决右岸岸坡坝段的侧向稳定问题提供了基础。可选的处理方案有：横缝灌浆方案和宽缝回填混凝土方案，从施工难度、工程效果方面考虑，建议采用宽缝回填方案。经刚体极限平衡法计算，4～5号坝段宽缝和5～6号坝段宽缝回填混凝土面积分别达到142.11 m2和57.87 m2时，可传递计算所需的推力和剪力。利用三维有限元法对回填在宽缝的上游区域、中部区域和下游区域的情况进行了计算，计算结果表明宽缝回填在上游、中部和下游区域的传力效果基本相同。鉴于微膨胀混凝土的膨胀作用效果不明显，建议采用普通混凝土回填，为使回填混凝土和原坝体混凝土之间结合良好，新老混凝土间采用接触灌浆。

根据大坝安全第三次定检要求，为彻底解决新安江水电站右岸岸坡坝段侧向稳定问题，本研究方案对以往的研究和复核成果进行了全面系统的总结，并以大坝安全第三次定检期间的攻关和研究成果为主要依据，对右岸岸坡坝段侧向稳定问题的处理方案和实施要求进行现场试验，根据现场试验情况、温控及埋设仪器的测量结果分析，选定了实施方案，并于2014年9月～2015年开展了回填施工。

宽缝回填施工过程中，按规范对主要施工项目进行质量抽查和检测，其中侧壁插筋拉拔力检测结果均大于设计值；回填混凝土抗压强度均满足设计要求。由于测缝计显示新老混凝土接触面尚未拉开，故目前尚未实施中后期冷却、接触灌浆和排水孔施工。后续将根据监测结果，分析接触灌浆的必要性，并适时实施排水孔钻设。 ■

[1]国家电力监管委员会大坝安全监察中心新安江水电站大坝安全第三次定期检查专家组.浙江新安江水电站大坝安全第三次定期检查报告[R].2010.

[2]国网新源水电有限公司新安江水力发电厂,中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司.新安江电厂基于宽缝回填混凝土处理右岸侧向稳定措施的研究报告[R].2014.