水庫除險(xiǎn)加固中雙曲拱壩應(yīng)力及穩(wěn)定性分析

劉放

（廣州市水電建設(shè)工程有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

面對(duì)雨季汛期的到來，水庫承擔(dān)著攔蓄洪水的重要功能，進(jìn)而減免洪水災(zāi)害。水庫的病害問題應(yīng)該引起足夠的關(guān)注，需要在汛期到來之前，加緊進(jìn)行病害問題的排查，并需要針對(duì)水庫的攔河壩、溢洪道、交通橋、放水洞等建筑，進(jìn)行除險(xiǎn)加固，使水庫可以正常、穩(wěn)定的發(fā)揮其防洪作用。在水庫除險(xiǎn)加固工作中，應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)大壩結(jié)構(gòu)安全的檢查與評(píng)估。通過對(duì)壩體應(yīng)力狀態(tài)、穩(wěn)定性的計(jì)算，具體了解大壩結(jié)構(gòu)是否安全、穩(wěn)固，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，以有效控制拱壩應(yīng)力以及提高壩體穩(wěn)定性為目標(biāo)，有針對(duì)性地進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

1 工程概況

結(jié)合某中型水庫的工程概況進(jìn)行分析，該水庫總庫容1220.6 萬m3，大壩為雙曲拱壩，為3 級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)洪水位61.22m，校核洪水位61.76m，施工期洪水位50.67m。在某水庫達(dá)標(biāo)加固整治工程中，主要建設(shè)內(nèi)容包括大壩防滲處理、壩頂混凝土路面拆除重建，壩頂混凝土防浪墻拆除重建等。

2 主體施工流程

在某水庫達(dá)標(biāo)加固整治工程中，需要明確總體的施工流程，制定完善的施工方案，施工過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都需要嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家規(guī)范和現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。完成施工平面布置與規(guī)劃、進(jìn)度計(jì)劃和進(jìn)度規(guī)劃等施工準(zhǔn)備工作后，進(jìn)行施工圍堰填筑、導(dǎo)流管鋪設(shè)以及臨時(shí)施工路填筑[1]。將水塔及工作橋拆除，基坑開挖支護(hù)，然后進(jìn)行水塔及工作橋、輸水管結(jié)構(gòu)的主體施工。在水塔啟閉、機(jī)電設(shè)備安裝和調(diào)試后，進(jìn)行上游壩坡輸水管段灌漿。采用注漿投砂法進(jìn)行充填灌漿，如圖1 所示。

圖1 大壩充填灌漿典型斷面圖

在此基礎(chǔ)上，開展溢洪道工程、上游壩坡護(hù)坡、排水溝、防浪墻、路面的施工。制定壩體防滲方案，進(jìn)行大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算、分析，大壩滲流計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 大壩滲流計(jì)算模型

完成施工后，進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝，最后進(jìn)行項(xiàng)目收尾及驗(yàn)收。施工過程中，需要針對(duì)雙曲拱壩應(yīng)力及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，進(jìn)而為水庫除險(xiǎn)加固工作提供價(jià)值的參考依據(jù)。

3 雙曲拱壩的應(yīng)力控制

雙曲拱壩的除險(xiǎn)加固施工過程中，需要通過應(yīng)力分析，了解壩體的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而加強(qiáng)應(yīng)力控制。明確雙曲拱壩應(yīng)力控制的重要性和必要性，并采用科學(xué)的方法，準(zhǔn)確進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。

3.1 應(yīng)力控制的重要性

雙曲拱壩的應(yīng)力狀態(tài)，影響著壩體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，關(guān)系到雙曲拱壩能否安全運(yùn)行。溫度、水位的變化，均會(huì)對(duì)影響到雙曲拱壩的應(yīng)力狀態(tài)。壩體應(yīng)力的增加，容易導(dǎo)致拱壩變形，容易形成裂縫，拱壩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會(huì)隨之下降，影響其攔蓄洪水的能力，進(jìn)而增加防洪工作中的安全隱患。在雙曲拱壩的除險(xiǎn)加固，需要針對(duì)壩體的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，分析應(yīng)力變化規(guī)律，制定施工方案的過程中，需要考慮到應(yīng)力控制的相關(guān)要求。拱壩的應(yīng)力控制指標(biāo)，直接影響壩體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，關(guān)系到拱壩的整體安全系數(shù)。在拱壩設(shè)計(jì)中，將允許拉應(yīng)力值控制在合理的范圍，進(jìn)而提高抗壓安全系數(shù)[2]。

3.2 應(yīng)力分析

雙曲拱壩的應(yīng)力分析過程中，計(jì)算壩體應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，往往需要借助假定、簡(jiǎn)化等方法進(jìn)行分析，得出合理的計(jì)算結(jié)果。應(yīng)力分析主要有以下4 種方法：①純拱法。假定荷載均有拱圈承擔(dān)，各個(gè)拱圈相對(duì)獨(dú)立、互不影響，并將梁的作用忽略。按照以上的假定條件計(jì)算，得出計(jì)算結(jié)果，判斷拱壩的應(yīng)力狀態(tài)。但是該方法存在較大的局限性，一般應(yīng)用于小型工程，計(jì)算結(jié)果往往偏大。②拱梁分載法。則是假定拱、梁共同承擔(dān)荷載，拱壩由多層水平拱圈、鉛直懸臂梁兩個(gè)系統(tǒng)組成。其中，梁的應(yīng)力計(jì)算較為簡(jiǎn)單，計(jì)算量小。而在拱的應(yīng)力計(jì)算中，由于計(jì)算量大，應(yīng)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。③拱冠梁法。采取拱、梁分載的方式。選定拱圈后，在單位徑向荷載作用下，進(jìn)行單位變位的計(jì)算[3]。建立變形協(xié)調(diào)方程，針對(duì)各點(diǎn)的荷載分配值進(jìn)行計(jì)算。按照荷載分配值進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算出應(yīng)力大小，進(jìn)行拱壩應(yīng)力狀態(tài)的判斷。④有限單元法。通過劃分有限數(shù)量的單元，連接各節(jié)點(diǎn)，建立離散模型進(jìn)行分析，計(jì)算應(yīng)力?？紤]到雙曲拱壩的外形復(fù)雜、厚度大，可以應(yīng)用三維有限元法，將基巖、壩體劃分為有限數(shù)量的單元，進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖3 所示。

圖3 基巖、壩體三維分析

除以上方法外，結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)法、殼體理論計(jì)算方法也可以應(yīng)用于拱壩應(yīng)力分析的過程。

3.3 應(yīng)力計(jì)算

雙曲拱壩的應(yīng)力計(jì)算中，應(yīng)用反力參數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。在荷載組合的計(jì)算中，需要考慮到具體的工況（基本情況包括正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位；特殊情況包括校核洪水位、死水位情況、正常水位等情況），關(guān)注各工況條件下的均勻水砂壓力、溫度變化。在此基礎(chǔ)上，全面掌握拱壩壩體等各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)行溫度變化荷載的計(jì)算。該過程中，需要結(jié)合地質(zhì)報(bào)告資料進(jìn)行分析，了解雙曲拱壩的砌體飽和容重，結(jié)合彈性模量、砌體溫度線性膨脹系數(shù)，進(jìn)行相關(guān)數(shù)值的計(jì)算。計(jì)算溫度變化荷載時(shí)，需要應(yīng)用簡(jiǎn)化計(jì)算法，考慮到庫水位、水深、壩體厚度、表面水溫年變幅等參數(shù)條件。計(jì)算不同荷載組合的拱壩左岸上下游面應(yīng)力、拱壩右岸上下游面應(yīng)力，進(jìn)而總結(jié)拉應(yīng)力分布規(guī)律[4]。不同荷載組合的頂拱端上下游壩面主應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果如表1 所示。通過應(yīng)力計(jì)算，大壩壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均達(dá)到規(guī)范容許值。

表1 不同荷載組合的頂拱端上下游壩面主應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果分析

4 雙曲拱壩的穩(wěn)定性分析

雙曲拱壩的安全運(yùn)行，其穩(wěn)定性需要得到良好的保障，需要采取科學(xué)、高效的方法進(jìn)行檢測(cè)、分析。該過程中，進(jìn)行重力墩穩(wěn)定驗(yàn)算、壩肩巖體穩(wěn)定分析，進(jìn)而對(duì)雙曲拱壩的總體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估和判斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，有效予以處理。

4.1 重力墩穩(wěn)定驗(yàn)算

雙曲拱壩的重力墩穩(wěn)定驗(yàn)算過程中，需要考慮到基本荷載組合（正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位）和特殊荷載組合（校核蓄水位、正常蓄水位），具體了解自重、凈水壓力、揚(yáng)壓力、泥砂壓力、土壓力、拱端壓力、浪壓力等參數(shù)條件?；贕ADAP25 程序，進(jìn)行拱端推力荷載的計(jì)算，得出正常+溫降的合推力、設(shè)計(jì)+溫升的推力、校核+溫升的推力[5]。應(yīng)用擬靜力法，結(jié)合地震加速度峰值、質(zhì)點(diǎn)的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值及水平向地震慣性力代表值等參數(shù)，進(jìn)行地震荷載的計(jì)算，地震荷載的計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 地震荷載的計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位的其他荷載進(jìn)行計(jì)算，具體了解壩前水深、自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、波浪壓力等條件，如表3 所示。分析不同荷載組合作用下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，基本荷載組合1、2 分別為2.19 和1.73，特殊荷載組合1、2 分別為1.71 和2.54，符合穩(wěn)定性要求。

表3 其他荷載計(jì)算結(jié)果分析

在不同邊緣應(yīng)力的條件下（σz1、σz2、σz3、σz4），不同荷載組合作用下，未產(chǎn)生拉應(yīng)力，分析上下游邊緣應(yīng)力計(jì)算成果，如表4 所示。未產(chǎn)生拉應(yīng)力的情況下，上下游邊緣應(yīng)力符合標(biāo)準(zhǔn)。

表4 其他荷載計(jì)算結(jié)果分析

4.2 壩肩巖體穩(wěn)定分析

在壩肩巖體穩(wěn)定分析的過程中，需要將其視為空間問題。在具體掌握整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的基礎(chǔ)上，按照科學(xué)的計(jì)算程序，計(jì)算拱壩壩肩拱座的穩(wěn)定性數(shù)值。該過程中，應(yīng)用剛體極限平衡法，忽略滑移體各部分間的相對(duì)位移、拱壩內(nèi)力重分布作用、彎矩的影響，作為假定條件，進(jìn)行相關(guān)數(shù)值的計(jì)算。結(jié)合雙曲拱壩的地質(zhì)參數(shù)（摩擦系數(shù)、黏著力等），取右岸重力墩底，結(jié)合滑面長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算程序中，輸入揚(yáng)壓力、梁垂直力、拱推力、拱切力、梁切力、拱座面夾角、拱厚、拱底高程，計(jì)算得出抗滑力、徑向滑動(dòng)力、切向滑動(dòng)力、安全系數(shù)及最小安全系數(shù)的計(jì)算。確認(rèn)壩肩巖體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果是否符合標(biāo)準(zhǔn)[6]。

通過重力墩穩(wěn)定驗(yàn)算、壩肩巖體穩(wěn)定分析，可以對(duì)雙曲拱壩的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。以此為參考，制定科學(xué)、完善的水庫除險(xiǎn)加固措施，有效處理病害問題，消除安全隱患。經(jīng)過除險(xiǎn)加固后，充分保障雙曲拱壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行，有效發(fā)揮其攔蓄洪水的功能。

5 結(jié)語

綜上所述，在水庫除險(xiǎn)加固中，需要重點(diǎn)進(jìn)行雙曲拱壩的檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，并進(jìn)行防滲處理、壩頂混凝土路面拆除重建，壩頂砼防浪墻拆除重建等施工。在除險(xiǎn)加固施工的過程中，需要考慮到雙曲拱壩的應(yīng)力狀態(tài)及穩(wěn)定性，采取科學(xué)的方法進(jìn)行評(píng)估。通過對(duì)雙曲拱壩的應(yīng)力分析和計(jì)算，了解其應(yīng)力狀態(tài)，以此為參考，將應(yīng)力控制作為除險(xiǎn)加固工作的重要內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上，通過重力墩穩(wěn)定驗(yàn)算、壩肩巖體穩(wěn)定分析，排查雙曲拱壩在穩(wěn)定性方面的缺陷，進(jìn)而采取有針對(duì)性的處理措施。