寬闊河谷上的拱壩加固方案

［俄羅斯］G.M.卡加諾夫 等

1 概述

開發(fā)一套可加固大壩的工程措施，如在不用完全放空水庫的情況下進行大壩加固，對于頻繁出現安全問題的大型混凝土壩來說是大有用場的。

結構復雜的簿型拱壩加固時會出現緊急情況，其承載能力和應力－應變狀態(tài)與河床的特性密切相關，再加上壩體的裂縫，可能會對其強度和穩(wěn)定性帶來明顯的影響。另外還應指出的是，拱壩的特性為上游面一般不出現拉應力。因此在大壩服役初期，加固這類壩的工程措施，最主要的就是增大上游面的垂直壓應力，這樣，當出現水平裂縫時，就能使這些裂縫不致張開，甚至擴散到尾水渠部位。

令人遺憾的是，還沒有一種系統(tǒng)性的、切實可行的綜合性研究成果來評估各種加固工程措施的有效性，及其對拱壩應力－應變狀態(tài)和承載能力的影響。這種特殊的系統(tǒng)性研究，在初步研究或研究論證階段，必需采集必要的相關信息，如各種型式的加固措施對拱壩應力－應變狀態(tài)和承載能力的影響等等。在本文的研究中，已收集到某些大壩服役期的有關資料，如對英古力(Inguri I)壩，凱爾恩布雷恩(Kelnbrain)壩實施某種加固方案的物理模型研究資料。提出了適用于拱壩的單種加固方案(圖1)，以及拱壩施工期封拱灌漿溫度的優(yōu)化方案。

2 所開展的研究

列出了以下研究項目:

圖1 某拱壩加固方案

(1)審查與拱壩可能的加固方案有關的單項工程措施，逐項評估每種措施的作用，及其對拱壩應力－應變狀態(tài)的綜合影響，進而采取加大懸臂梁壓應力的措施。

(2)審查各項工程措施，并評估每種措施對拱壩應力－應變狀態(tài)的影響，調整由于下游面需將循環(huán)空氣加熱到所需溫度(下游面設有一個專用護罩)所導致的溫度變化引起的應力－應變狀態(tài)的變化。

建議采用監(jiān)測儀對一系列的拱壩，例如薩彥舒申斯克壩、英古力壩、奇爾克伊(Chirkey)壩等進行一定范圍的監(jiān)測。也可研究制定一些生態(tài)學家經常提到的可能的氣候變化情形下所必需的加固措施。

研究主要針對建在寬闊河谷壩址的拱壩，提出了一種拱壩的加固方案。在各種不同的加固方案中，使用接觸單元進行模擬，先分析大壩裂縫的開裂情形，然后用模型模擬高程50 m一帶大壩的裂縫情況。分析過程中，考慮了以下荷載和影響因素:大壩自重、靜水壓力、反濾層、重力壓力，以及上下游側的溫度變化等等。圖2為整個大壩－壩基示意圖。

圖2 大壩－壩基示意

計算采用瑞士Z－Soil軟件包。先建3D模型，運用Z－Soil軟件包，將大壩模型劃分為2 100個8節(jié)點單元。隨后再進行壩基部分的劃分(劃分為9 800個8節(jié)點單元)，并將設計荷載和周邊節(jié)點位移的邊界條件進行分配。

下面列出了對建在寬闊河谷壩址的拱壩進行加固的單項工程措施，并對壩體應力－應變狀態(tài)的影響作出了相應的評估。

(1)壩頂加固(上下游面的兩側);

(2)拱下游面加固;

(3)大壩下游面左岸斷面的加固;

(4)下游側兩推力端的加固(上游側也有可能存在類似的情況)。該研究中，加固選在出現最大值的一側;

(5)解除上述措施的互相影響(除拱的推力端以外)。

在許多情況下，通過采取諸如增大拱壩壩頂和兩推力端的剛度這類措施，即使應力－應變狀態(tài)沒有明顯的改善，也能提高拱壩的承載能力。

應當提醒的是，采用多種其他工程措施以及簿壁張拉結構 ，包括出現有裂縫壩的加固(如豐塔納(Fontana)壩及其他壩)，均應可行。圖3和圖4為加固拱壩所采用的工程措施及其結構凈空尺寸示意。

圖3 凈空尺寸(單位:m)

圖4 拱壩兩推力端的加固(俯視圖)

作為工程措施的一部分，應對溫度變化對大壩應力－應變狀態(tài)的影響，尤其是對上游面應力變化的影響進行評估。圖5示出了拱冠梁的應力分布情況。

圖5 拱冠梁的應力分布

分析這些研究成果，有可能估算出單項工程措施對拱冠梁上游面應力改善所起的作用。分析表明，這些措施相當有效，上游面增大的壓應力如下:

(1)在高程0.0 m，壓應力從0.05 MPa增大到1.55 MPa;

(2)在高程50.0 m，壓應力從0.03 MPa增大到0.73 MPa。

3 結語

(1)考慮到施工和維修期間混凝土壩可能受到的損壞，如裂縫或施工縫開裂等等，最好制定出經應力－應變狀態(tài)分析和研究后的各種工程措施和解決方案，備今后維修時采用。

(2)制定的上述工程措施和方案，主要是針對拱壩的，對于這些措施，目前既沒有進行系統(tǒng)性的研究，也沒有對其有效性進行評估，尚未形成整套分析成果。

(3)研究表明，采取各種工程措施后，拱壩上游面拱冠梁的壓應力可能會增大，在本文的研究中，采取各種綜合性工程措施后，壓應力總計增大到1.55 MPa。在很多情況下，實際上是都能取得這種效果。

(4)研究表明，僅將大壩下游面加熱，升高溫度1℃和 23℃，上游面的壓應力就會分別增大0.07 MPa和1.5 MPa。

(5)今后應開發(fā)出系統(tǒng)性研究程序，基于累積的研究成果，采取最新的工程措施加固服役中的拱壩，研究應不僅是針對開闊河谷壩址的拱壩，還應有更多的拓展。

(6)有必要開展類似的研究，以可對不僅能改善壩體的應力－應變狀態(tài)，而且還能提高其承載能力的工程措施進行評估，評估中還應考慮地震效應。