支墩壩加固新技術(shù)

[挪威]　T.庫努夫

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支墩壩加固新技術(shù)

[挪威]T.庫努夫

摘要：支墩壩建成后，隨著壩體老化，需要開展大量的修復(fù)工作。為此，提出了一種支墩壩重建和加固的新方法，而舊壩則可作為新壩澆筑的模板，該技術(shù)在挪威獲得專利。實(shí)踐證明，當(dāng)修建新壩是唯一選擇時(shí)，該技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理，且實(shí)施時(shí)可不放空庫水。介紹了該項(xiàng)新技術(shù)在支墩壩和連拱壩修復(fù)工程中的應(yīng)用情況，并從穩(wěn)定性和投資方面闡述了其優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：支墩壩；連拱壩；重建；修復(fù)；壩加固；新技術(shù)

近年來，大壩安全標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，很多支墩壩已不能滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性的要求。因此，需要對(duì)目前正在運(yùn)行的一些支墩壩進(jìn)行修復(fù)，而在某些情況下重建新壩可能是唯一選擇。

最近一種新型專利技術(shù)應(yīng)用于挪威平板支墩壩修復(fù)工程中，相比拆除現(xiàn)有壩并重建新壩，可節(jié)省投資約40%，修復(fù)后大壩的穩(wěn)定性和安全性都較好。該修復(fù)技術(shù)特別適用于諸如平板支墩壩和連拱壩等輕型結(jié)構(gòu)的支墩壩。本文主要論述該項(xiàng)技術(shù)在支墩壩和連拱壩修復(fù)工程中的應(yīng)用。

即使與重建新壩投資相當(dāng)，該技術(shù)也是優(yōu)選方案，因?yàn)樵谔岣哌\(yùn)行安全性方面，支墩壩比其他傳統(tǒng)壩型更具有優(yōu)勢(shì)。

1支墩壩

根據(jù)國際大壩委員會(huì)的大壩技術(shù)詞典，支墩壩分3類，即平板支墩壩(面板壩)、連拱壩以及大頭壩。

支墩壩的特點(diǎn)是上游面防滲，防滲體下游由一系列支墩支撐，支墩將水荷載傳遞給地基。通常支墩沿壩軸線方向等距布置，一般支墩間距5～20 m，取決于壩體大小和設(shè)計(jì)。由于支墩之間存在敞開部分，支墩壩有時(shí)也稱為空心壩。

在美國，平板支墩壩有時(shí)也被稱為安布森(Ambursen)式壩，因?yàn)檫@種壩型是美籍挪威裔工程師安布森在美國注冊(cè)的專利。在挪威，平板支墩壩也被稱為格羅納(Gr?ner) 壩，是國際大壩委員會(huì)前主席C.F 格羅納對(duì)安布森式壩的改進(jìn)型，垂直平板接縫置于平板零力矩點(diǎn)上，可以減少平板中的配筋。得益于這兩位工程師，挪威和美國是世界上擁有平板支墩壩最多的國家，挪威有240座平板支墩壩，其中44座為大型壩。

2挪威支墩壩面臨的挑戰(zhàn)

挪威支墩壩基本上為平板型，僅個(gè)別特例除外。多數(shù)支墩壩均建于20世紀(jì)50、60年代，運(yùn)行現(xiàn)狀與運(yùn)行年限、施工質(zhì)量和運(yùn)行環(huán)境密切相關(guān)，影響建筑物現(xiàn)狀的因素主要有凍融、鋼筋腐蝕和骨料堿活性反應(yīng)，通常也受到這些因素的綜合影響。

另外，建筑物穩(wěn)定性需要滿足現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。在挪威，隨著2001年新規(guī)范的實(shí)施，穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)要求提高(現(xiàn)行支墩壩穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)見表1)。新規(guī)范也要求對(duì)已建大壩進(jìn)行復(fù)核，復(fù)核結(jié)果表明，很多平板支墩壩不能滿足抗滑(抗傾)要求。

另外，挪威大壩安全局計(jì)劃實(shí)施一項(xiàng)禁令，將傳統(tǒng)平板支墩壩列為最高危險(xiǎn)等級(jí)。這項(xiàng)禁令也適用于已建大壩。

表1　挪威平板支墩壩穩(wěn)定性要求

綜合考慮上述因素，需要加固或修復(fù)的平板支墩壩數(shù)量較多，有時(shí)重建新壩是唯一選擇。

3克洛卡溫壩

克洛卡溫(Krokavatn)壩高19 m，總壩長(zhǎng)100 m，主壩長(zhǎng)50 m，為平板支墩壩。

大壩為典型挪威平板支墩壩，上游面板與水平面夾角50°，由間隔5 m的8座混凝土支墩支撐，面板頂部厚度0.30 m，底部增至0.80 m。

寬50 m的混凝土溢洪道布置于右壩肩，溢洪道與大壩間壩軸線存在一個(gè)拐點(diǎn)。經(jīng)過多年運(yùn)行，壩體和溢洪道之間的混凝土墻產(chǎn)生了裂縫，導(dǎo)致滿庫運(yùn)行時(shí)大壩有明顯的滲漏。

克洛卡溫壩重建布置詳見圖1。

圖1　克洛卡溫壩重建布置示意

3.1大壩安全評(píng)價(jià)

2012年，業(yè)主組織了大壩安全評(píng)價(jià)，對(duì)大壩安全性進(jìn)行了全面評(píng)估。

評(píng)估結(jié)果表明，大壩不滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中抗滑和抗傾穩(wěn)定性要求。由于該壩是高危建筑物，挪威大壩安全局決定拆除重建。

3.2堿骨料反應(yīng)

大壩安全評(píng)價(jià)還指出壩體混凝土存在堿骨料反應(yīng)，通過對(duì)大壩的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)8.45 m的面板水平伸長(zhǎng)了15 mm，伸長(zhǎng)率0.18%，由此在鋼筋混凝土面板中產(chǎn)生的拉應(yīng)力為360 N/mm2。而設(shè)計(jì)鋼筋混凝土面板拉應(yīng)力極限強(qiáng)度為400 N/mm2，實(shí)際拉應(yīng)力接近屈服強(qiáng)度，因此得出結(jié)論，需嚴(yán)格限制水庫在最高水位以下2.5 m運(yùn)行。

3.3重建工作

為了提高大壩安全性，決定采用原支墩墻作為模板，每隔一個(gè)空心段澆筑一個(gè)新支墩(如圖1所示)。增加的支墩重量將保障壩體穩(wěn)定性要求。另外，由于堿骨料反應(yīng)，原有面板承載力不足，必須在原有面板上澆筑新混凝土面板。

重建后，原有壩體僅僅成為新壩的外殼，對(duì)新壩的穩(wěn)定性和強(qiáng)度不起任何作用。

迄今為止，在幾個(gè)方案中，支墩壩重建是最經(jīng)濟(jì)的方案，如表2所示。由于該項(xiàng)目為試點(diǎn)項(xiàng)目，重建技術(shù)在挪威申請(qǐng)了專利。

3.4穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

壩體穩(wěn)定性計(jì)算表明，表2中的重建支墩壩方案穩(wěn)定性最好，主要是因?yàn)樾轮Ф蘸托旅姘遄陨碇亓吭黾恿藟误w穩(wěn)定性。重建前后穩(wěn)定性比較見圖2和圖3。

表2　不同壩型投資估算(1挪威克朗=6.43美元)

圖2　設(shè)計(jì)洪水高于正常蓄水位0.5 m時(shí)新老壩體穩(wěn)定性比較

圖3　設(shè)計(jì)冰荷載條件下(100 kN/m)新老壩體穩(wěn)定性比較

穩(wěn)定性計(jì)算表明，新壩的穩(wěn)定性良好(安全系數(shù)大于2)，遠(yuǎn)超挪威規(guī)范規(guī)定，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)比現(xiàn)有壩體高出1。

簡(jiǎn)而言之，新壩是平板支墩壩和大頭壩的結(jié)合體，作用在傾斜面板上的靜水壓力由大量的支墩支撐，再加上孔隙水壓力的降低，壩體結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。

3.5施工進(jìn)展

如前所述，由于堿骨料反應(yīng)，2012年大壩安全評(píng)估要求水庫嚴(yán)格控制在正常蓄水位以下2.5 m運(yùn)行，因此大壩業(yè)主希望盡快重建。

許鈞結(jié)合自己的翻譯活動(dòng)實(shí)踐，動(dòng)態(tài)地考察了翻譯活動(dòng)的各個(gè)層面，他認(rèn)為“翻譯活動(dòng)是翻譯主體在一定歷史條件下和文化背景中通過具體的語言轉(zhuǎn)換而進(jìn)行的一種目的十分明確的實(shí)踐活動(dòng)”。[2]“不同的歷史時(shí)期，出于不同的動(dòng)機(jī)，對(duì)作品的選擇也就不同。”[3]他本人的翻譯活動(dòng)也隨時(shí)代發(fā)展從純粹的“語言轉(zhuǎn)換觀”變?yōu)椤拔幕涣饔^”，《不能承受的生命之輕》等在中國的翻譯與出版，便是一個(gè)充分的例證。

由于壩址位于山區(qū)，冬季交通中斷，因此施工只能在6～10月開展。2014年夏季，完成了7 000 m的施工道路和上游面板的澆筑。新支墩將在2015年夏季完工。

圖4　下游新建面板方案

4加固平板支墩壩的其他方法

可以對(duì)克洛卡溫壩的加固措施加以改進(jìn)，以應(yīng)用于其他平板支墩壩。

4.1下游建新面板(方案A)

加固措施示于圖4，加固過程中不需要將庫水放空，在某些情況下具有非常大的優(yōu)勢(shì)，這一方法可用于穩(wěn)定性和強(qiáng)度都不滿足要求的支墩壩加固。

圖4中，D-D是新支墩橫剖面圖，在原面板下游進(jìn)行新混凝土面板的澆筑。C-C為施工縫布置圖，表明新支墩和新混凝土面板的結(jié)合方式，新支墩的澆筑可在切斷原支墩之前完成。

4.2新建支墩(方案B)

此方案詳見圖5，建新支墩無需降低庫水位，可用于穩(wěn)定性不滿足要求的支墩壩。

圖5　新建支墩方案

圖5中，H-H是新支墩橫剖面圖，無需新建混凝土面板。G-G是必要時(shí)對(duì)面板進(jìn)行加固的平面布置圖，為加強(qiáng)混凝土面板穩(wěn)定性，可在面板后安裝一系列支撐梁。在上游面板沒有大的破損或滲漏且仍可起到上游面防滲作用的情況下，常采用這一方案。

5連拱壩的加固

連拱壩通常比平板支墩壩高，由于拱的跨度比平板大，支墩間距也大，因此作用在壩體內(nèi)與建基面上的應(yīng)力比平板支墩壩要大得多。對(duì)某些老支墩壩的有限元分析表明，壩體內(nèi)有應(yīng)力異常區(qū)分布。

下列實(shí)例表明，克洛卡溫壩的加固技術(shù)也能運(yùn)用到連拱壩中。

5.1重建大頭壩(方案C)

連拱壩重建包括新建支墩和混凝土面板兩部分內(nèi)容：新支墩澆筑在原支墩間的空心段，每隔一空心段澆筑一新支墩；在連拱壩混凝土面板上游澆筑新混凝土面板，其設(shè)計(jì)如大頭壩的頭部，因此新壩體可以定義為大頭壩，如圖6所示。圖中L-L是新支墩剖面圖，K-K為平面圖。圖中顯示上游混凝土面板厚度恒定，實(shí)際厚度隨著大壩高度和水壓而變化。

圖6　重建大頭壩方案

5.2僅重建支墩(方案D)

當(dāng)上游混凝土面板無損壞可以保證大壩的安全運(yùn)行而無需重建，且現(xiàn)有支墩安全性不能得到保證而需要加固時(shí)，采用這種方法可以提高壩體整體穩(wěn)定性，如圖7所示，圖中N-N是新建支墩剖面圖，M-M是平面圖。

圖7　僅重建支墩方案

為了防滲需要，可在上游壩面鋪設(shè)土工膜，還可在新支墩建成后新建上游面板。

5.3下游面新建拱板(方案E)

該方案不需要放空庫水，在某些情況下具有較大優(yōu)勢(shì)，當(dāng)穩(wěn)定性和強(qiáng)度都不滿足要求時(shí)采用該方案。

圖8中，P-P是新支墩壩的橫剖面圖，新混凝土拱板澆筑在原拱板下游。O-O所示為如何在新支墩和新混凝土拱板之間設(shè)置施工縫，施工順序是先澆筑新支墩，再打穿原支墩，最后澆筑新拱板。

圖8　下游面重建拱板方案

6結(jié)語

通過采用支墩壩加固新技術(shù)，加固后的壩體具有大頭壩和平板支墩壩的雙重特性。大量的支墩，再加上作用在傾斜面板上的穩(wěn)定水壓力和減小的孔隙水壓力，使新壩結(jié)構(gòu)非常安全。由于安全等級(jí)的提高，即使在重建新壩建安費(fèi)與之相當(dāng)?shù)那闆r下，此方法在平板支墩壩加固中仍可作為首選方案。

目前，該方法正應(yīng)用于挪威平板支墩壩建設(shè)中。主要對(duì)示范大壩的安全評(píng)價(jià)和加固工程進(jìn)行了介紹，也從穩(wěn)定性和投資方面闡述了該方法所具有的優(yōu)勢(shì)。

本文還列舉了該技術(shù)的幾種不同應(yīng)用實(shí)例，并闡述了在輕型支墩壩和連拱壩中的應(yīng)用情況。

該技術(shù)在挪威獲得專利，并提交了國際專利申請(qǐng)(PCT申請(qǐng))，獲得國際專利意味著該技術(shù)受到世界上許多國家的專利保護(hù)。在支墩壩和連拱壩的應(yīng)用過程中，還有待對(duì)該技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

王晶馬貴生譯

(編輯：朱曉紅)

收稿日期：2016-01-27

文章編號(hào)：1006-0081(2016)06-0021-04

中圖法分類號(hào)：TV642.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

(譯者簡(jiǎn)介：王晶，女，深圳市清林徑引水調(diào)蓄工程管理處，高級(jí)工程師。)