預應力錨索在消除混凝土壩應力中的應用

鄶 君,凡勝豪

(遼寧省水利事務服務中心,沈陽 110003)

0 前 言

混凝土重力壩是水利樞紐工程中一種重要的擋水建筑物。因大壩加高等除險加固導致庫水位增加會對壩體產生不同的應力影響。目前許多學者對消除混凝土壩應力做了大量研究。周天鴻對重力壩功能疊合區受力結構進行分析,采用有限元計算方法建立考慮結構整體受力的計算模型,通過計算獲得受壓狀態結果。張娟通過Ansys三維有限元模型對泄洪洞壩段的壩體、豎井和廊道進行了應力分析。武永新采用無黏結預應力錨索設置潘家口水庫加固壩體活縫,可以解決壩體內潮濕造成鋼絞線銹蝕問題,同時可避免裂縫張開時的局部拉伸變形[1-3]。張雄通過建立錨索模型研究錨索張拉和二次灌漿后的應力狀態,探討壩體內部加錨的可行性。

水庫的混凝土重力壩歷次除險加固對壩體進行加高,將導致壩體壩踵出現拉應力影響大壩的安全。文章通過對應力消除方案進行比較,選定的預應力錨索方案,該方案對消除混凝土壩的拉應力具有較大的優勢,可較好應用于工程實踐中[4]。

1 項目概況

鬧德海水庫建成于1942年,水庫總庫容2.17億m3,規模為大(2)型。目前水庫的主要任務為防洪滯沙、農田灌溉以及城市工業與生活供水等。水庫樞紐工程由擋水壩段、溢流壩段、排砂中底孔、消力池和輸水洞等構筑物組成。

大壩為混凝土重力壩,壩頂高程194.00m,壩頂寬度5m,大壩總長167m,共11個壩段,最大壩高44.5m。大壩上游面坡比1∶0.1,下游面坡比1∶0.8。4#～8#為溢流壩段,總長75m,堰頂高程181.50m。其中,6#～8#壩段設置五個排砂底孔,孔底高程151.00m;5#壩段設置兩個排砂中孔,孔底高程163m。1#～3#及9#～11#為擋水壩段。

1965年在擋水壩頂增設混凝土子埝,子埝頂寬1.0m,底寬2.05m,子埝頂高程191.0m,使大壩防洪標準達到100a一遇。1991年擋水壩頂高程加高至194.0m,溢流壩段閘墩加高加長。

2 存在的問題

在1991年第三次除險加固中,該水庫防洪標準由100a一遇提高到1000a一遇,擋水壩段壩頂高程由191.00m提高到194.00m,但壩身未加厚,加固后上下游壩坡交點位于校核洪水位以下5.61m,壩前水位提高近6m,壩坡體型受力不利。 1991年加高壩體過程中,雖計算出現壩踵拉應力,但依據當時的規范SDJ21-78(試行)補充規定的要求,“重力壩的斷面原則上應由基本荷載組合控制,盡量做到不由稀遇荷載控制設計斷面”,因此未對此問題進行處理;壩體上游面拉應力考慮其數值較小,仍在混凝土允許拉應力范圍內,且在除險加固工程中上游壩面設0.18m厚瀝青混凝土防滲面板,因此也未作處理。

大壩共11個壩段,計算選取壩高較高、實測揚壓力折減系數較大的5#壩段、4#壩段及9#壩段進行穩定復核,同時對5#及4#壩段分層進行強度復核,計算成果見表1。

表1 壩基穩定及應力計算成果表

表3 壩基應力計算成果表(2/3/9/10#壩段)

由計算結果可知,設計洪水位工況下,2#～4#、8#～10#壩段壩體上游面垂直應力出現拉應力,校核洪水位工況下,2#～4#、8#～10#壩段壩踵及壩體上游面均出現拉應力。

隨著重力壩結構研究的不斷深入以及設計規范的更新和完善,對壩踵拉應力的要求愈加嚴格,現行水利工程建設標準強制性條文(2020年版)對該問題要求:“壩踵及壩體上游面垂直應力不應出現拉應力”。壩踵及壩體上游面均出現拉應力,不滿足規范要求,因此需對該6個壩段進行加固處理。

3 拉應力消除方案比選

從受力分析來看,壩踵及壩體上游面拉應力的主要原因是壩體斷面偏小,其自重不足以抵抗壩基揚壓力和上游水推力帶來的不利影響。解決該問題的主要措施包括以下幾種方案:

方案一:壩體上游面貼坡能夠增加壩體有利荷載。傳統方式為加大壩體斷面,增加壩體自重,以改善壩基和壩體的應力分布。一般在大壩上游面或下游面貼坡加厚壩體,可直接、有效地解決壩踵及壩體上游面拉應力問題,其中上游面貼坡的投資較下游面貼坡相對節省。經計算,本方案需在壩體上游面水平方向加厚2.8m,上游坡比仍為1∶0.1,壩頂寬度由原來的5.0m變為7.8m,下游坡度不變。貼坡采用混凝土結構,表層設直徑為12mm的鋼筋網,具有壓重和防滲的雙重功能?；炷僚c原壩體之間設置直徑為25mm的錨筋,長4m,深入原壩體2m,錨筋間距為1.5m。貼坡混凝土底部嵌入基巖內,與原壩踵基底面高程平齊,通過錨筋與基巖連接。

本方案結構可靠性好,建成后運行維護方便,可從根本上解決壩踵及壩體上游面拉應力問題,并提高壩體防滲能力,利于延長工程壽命。但其缺點是施工難度大,上游壩坡作業面坡比1∶0.1,近乎直立,且需輔以鑿毛和埋設錨筋等措施加強新、老混凝土的結合,施工質量是影響加固效果的關鍵。同時,加固施工工期約9個月,需水庫長時間空庫運行,對水庫的供水及灌溉造成一定影響。本方案建筑工程投資約563萬元。

方案二:利用預應力錨固技術增加壩體有利荷載,在壩體上游面附近新增附加集中力。壩踵和壩體上游面拉應力問題需要整體或局部大幅度提高壩體的正應力來解決。在諸多加固措施中,預應力錨固技術可以提供較大的錨固力,改善壩體穩定和應力狀態,增強壩體的整體性,其布置靈活、施工方便、干擾小,不影響水庫運行,且與增加大壩自身重量等其他措施相比,投資相對節省。該措施可有效解決壩踵拉應力問題,同時由于外錨頭位于壩頂,錨索張拉力對壩體上游面拉應力也有改善。自20世紀50年代起,國內外多個混凝土重力壩采用了預應力錨固技術,如陜西省石泉大壩、湖南馬鞍山大壩等,后期運行觀測中均驗證了良好的加固效果。本方案工程工期約6個月,建筑工程投資約262萬元。

綜上所述,本工程擬采用方案二對壩體進行加固。預應力錨索依靠錨頭通過壩體和基巖內的鉆孔錨入巖體內,把壩體與穩固基巖聯結在一起,從而改變壩體和壩踵的應力狀態。預應力錨固前后壩基應力對比發現可以徹底消除壩踵及壩體上游面的拉應力。預應力錨索方案技術簡單、施工方便,在工期和投資方面均具有明顯的優勢,對水庫正常運行影響較小[5]。

4 方案設計

本工程在2#～4#及8#～10#共6個壩段布設預應力錨索,加固壩段長度91.9m。錨索采用無黏結、拉力分散型,根部錨固在壩基巖石內,頂部端頭固定于壩頂或堰頂,通過施加預應力以消除校核洪水工況下的壩踵及壩體上游面拉應力。

從一個壩段整體受力來說,消除壩踵及壩體上游面拉應力所需施加的預應力最小值為已知,則壩段所需總鋼絞線根數為確定值,因此錨索布置的孔數越少,所需的鉆孔長度及錨具等配套設施越少、工程投資越節省。但錨索間距過大,相鄰錨索之間可能出現應力跌落,不利于結構穩定。對本工程而言,錨孔長度多在40m以上,間距過小難以控制鉆進精度。因此適當選取較大的錨索間距,可有效節約工程投資、降低施工難度。參考類似工程經驗,湖南省馬鞍山大壩采用預應力錨索處理抗滑穩定不足問題,錨索最大噸位3000kN,錨索間距2.6～5m;石泉大壩預應力錨索加固雙排布置,最大噸位8000kN,排內孔間距3m;珠窩水庫曾采用預應力錨固方式對其混凝土大壩進行加固,錨索噸級為700kN,孔距為1.35m。綜合分析后,本工程對于2#、3#、9#、10#壩段,采用較大的錨索間距2.6～3.0m,4#及8#壩段考慮閘墩、堰面具體位置,采用錨索間距1.5～2.8m。共布設預應力錨索35束,單束設計張拉力3900kN～4000kN,長度26～56m。

經計算,采用29根φ15.2mm鋼絞線時,則一束預應力錨索最大超張拉力為4524kN,因此本工程35孔預應力錨索均采用29根φ15.2mm鋼絞線,錨索孔直徑240mm。預應力錨索單排布置,頂部布置在壩頂或堰面,由于廊道上游面距離壩軸線較近,為1.5m,因此廊道部位錨索鉆孔向上游傾斜1°。錨索孔注漿材料采用M40水泥砂漿,水灰比0.40～0.50,錨固長度≥10m。外錨頭壩頂位置鑿除局部壩體深1m,錨夾具埋設于C40混凝土墊墩內,錨索張拉完成后混凝土回填至壩頂平齊。錨索內錨固段在束線環和隔離架作用下形成波紋體,注漿后形成棗核體。錨索孔注漿材料采用M40水泥砂漿,注漿采用孔底注漿法,砂漿灌注必須飽滿密實。錨索自由段也采用M40水泥漿灌注。

在擋水壩段壩頂設預應力錨索,距離壩體上游面(壩軸線)1.0m。采用材料力學法計算單延米壩段受力情況,大壩擋水壩段基本為對稱布置,在原計算參數條件下,施加預應力錨索集中荷載,對壩段整體進行計算,結果見表4、表5。

表4 預應力錨固前后壩基應力對比表

表5 預應力錨固前后壩體上游面垂直應力對比表

經計算可知,通過對2#～4#及8#～10#壩段壩頂施加豎向每延米1100～1800kN的預應力,可徹底消除壩踵及壩體上游面拉應力,滿足規范要求。

5 結 語

文章針對鬧德海水庫混凝土重力壩壩體及壩踵出現拉應力,影響大壩運行安全的問題,提出壩體上游面貼坡與利用預應力錨固技術增加壩體有利荷載兩種方案。經比選,最終采用預應力錨固技術,并對錨固方案進行了設計,通過方案設計與復核,采用預應力錨固后,可徹底消除壩踵及壩體上游面拉應力,滿足規范要求,該方案實施工期短、投資小,可較好地解決因水庫除險加固帶來的類似問題,對指導類似工程實踐具有借鑒意義。