預(yù)應(yīng)力錨索在消除混凝土壩應(yīng)力中的應(yīng)用

鄶 君,凡勝豪

(遼寧省水利事務(wù)服務(wù)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(xiǎn)加固導(dǎo)致庫水位增加會(huì)對(duì)壩體產(chǎn)生不同的應(yīng)力影響。目前許多學(xué)者對(duì)消除混凝土壩應(yīng)力做了大量研究。周天鴻對(duì)重力壩功能疊合區(qū)受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,采用有限元計(jì)算方法建立考慮結(jié)構(gòu)整體受力的計(jì)算模型,通過計(jì)算獲得受壓狀態(tài)結(jié)果。張娟通過Ansys三維有限元模型對(duì)泄洪洞壩段的壩體、豎井和廊道進(jìn)行了應(yīng)力分析。武永新采用無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)置潘家口水庫加固壩體活縫,可以解決壩體內(nèi)潮濕造成鋼絞線銹蝕問題,同時(shí)可避免裂縫張開時(shí)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(yīng)力狀態(tài),探討壩體內(nèi)部加錨的可行性。

水庫的混凝土重力壩歷次除險(xiǎn)加固對(duì)壩體進(jìn)行加高,將導(dǎo)致壩體壩踵出現(xiàn)拉應(yīng)力影響大壩的安全。文章通過對(duì)應(yīng)力消除方案進(jìn)行比較,選定的預(yù)應(yīng)力錨索方案,該方案對(duì)消除混凝土壩的拉應(yīng)力具有較大的優(yōu)勢(shì),可較好應(yīng)用于工程實(shí)踐中[4]。

1 項(xiàng)目概況

鬧德海水庫建成于1942年,水庫總庫容2.17億m3,規(guī)模為大(2)型。目前水庫的主要任務(wù)為防洪滯沙、農(nóng)田灌溉以及城市工業(yè)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(gòu)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(gè)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(shè)置五個(gè)排砂底孔,孔底高程151.00m;5#壩段設(shè)置兩個(gè)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)達(dá)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(xiǎn)加固中,該水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(jì)算出現(xiàn)壩踵拉應(yīng)力,但依據(jù)當(dāng)時(shí)的規(guī)范SDJ21-78(試行)補(bǔ)充規(guī)定的要求,“重力壩的斷面原則上應(yīng)由基本荷載組合控制,盡量做到不由稀遇荷載控制設(shè)計(jì)斷面”,因此未對(duì)此問題進(jìn)行處理;壩體上游面拉應(yīng)力考慮其數(shù)值較小,仍在混凝土允許拉應(yīng)力范圍內(nèi),且在除險(xiǎn)加固工程中上游壩面設(shè)0.18m厚瀝青混凝土防滲面板,因此也未作處理。

大壩共11個(gè)壩段,計(jì)算選取壩高較高、實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力折減系數(shù)較大的5#壩段、4#壩段及9#壩段進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核,同時(shí)對(duì)5#及4#壩段分層進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)核,計(jì)算成果見表1。

表1 壩基穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果表

表3 壩基應(yīng)力計(jì)算成果表(2/3/9/10#壩段)

由計(jì)算結(jié)果可知,設(shè)計(jì)洪水位工況下,2#～4#、8#～10#壩段壩體上游面垂直應(yīng)力出現(xiàn)拉應(yīng)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(xiàn)拉應(yīng)力。

隨著重力壩結(jié)構(gòu)研究的不斷深入以及設(shè)計(jì)規(guī)范的更新和完善,對(duì)壩踵拉應(yīng)力的要求愈加嚴(yán)格,現(xiàn)行水利工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文(2020年版)對(duì)該問題要求:“壩踵及壩體上游面垂直應(yīng)力不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力”。壩踵及壩體上游面均出現(xiàn)拉應(yīng)力,不滿足規(guī)范要求,因此需對(duì)該6個(gè)壩段進(jìn)行加固處理。

3 拉應(yīng)力消除方案比選

從受力分析來看,壩踵及壩體上游面拉應(yīng)力的主要原因是壩體斷面偏小,其自重不足以抵抗壩基揚(yáng)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(tǒng)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(yīng)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(yīng)力問題,其中上游面貼坡的投資較下游面貼坡相對(duì)節(jié)省。經(jīng)計(jì)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?yōu)?.8m,下游坡度不變。貼坡采用混凝土結(jié)構(gòu),表層設(shè)直徑為12mm的鋼筋網(wǎng),具有壓重和防滲的雙重功能。混凝土與原壩體之間設(shè)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(nèi),與原壩踵基底面高程平齊,通過錨筋與基巖連接。

本方案結(jié)構(gòu)可靠性好,建成后運(yùn)行維護(hù)方便,可從根本上解決壩踵及壩體上游面拉應(yīng)力問題,并提高壩體防滲能力,利于延長工程壽命。但其缺點(diǎn)是施工難度大,上游壩坡作業(yè)面坡比1∶0.1,近乎直立,且需輔以鑿毛和埋設(shè)錨筋等措施加強(qiáng)新、老混凝土的結(jié)合,施工質(zhì)量是影響加固效果的關(guān)鍵。同時(shí),加固施工工期約9個(gè)月,需水庫長時(shí)間空庫運(yùn)行,對(duì)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(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)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(yīng)力問題需要整體或局部大幅度提高壩體的正應(yīng)力來解決。在諸多加固措施中,預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)可以提供較大的錨固力,改善壩體穩(wěn)定和應(yīng)力狀態(tài),增強(qiáng)壩體的整體性,其布置靈活、施工方便、干擾小,不影響水庫運(yùn)行,且與增加大壩自身重量等其他措施相比,投資相對(duì)節(jié)省。該措施可有效解決壩踵拉應(yīng)力問題,同時(shí)由于外錨頭位于壩頂,錨索張拉力對(duì)壩體上游面拉應(yīng)力也有改善。自20世紀(jì)50年代起,國內(nèi)外多個(gè)混凝土重力壩采用了預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù),如陜西省石泉大壩、湖南馬鞍山大壩等,后期運(yùn)行觀測(cè)中均驗(yàn)證了良好的加固效果。本方案工程工期約6個(gè)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(duì)壩體進(jìn)行加固。預(yù)應(yīng)力錨索依靠錨頭通過壩體和基巖內(nèi)的鉆孔錨入巖體內(nèi),把壩體與穩(wěn)固基巖聯(lián)結(jié)在一起,從而改變壩體和壩踵的應(yīng)力狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力錨固前后壩基應(yīng)力對(duì)比發(fā)現(xiàn)可以徹底消除壩踵及壩體上游面的拉應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力錨索方案技術(shù)簡(jiǎn)單、施工方便,在工期和投資方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì),對(duì)水庫正常運(yùn)行影響較小[5]。

4 方案設(shè)計(jì)

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

從一個(gè)壩段整體受力來說,消除壩踵及壩體上游面拉應(yīng)力所需施加的預(yù)應(yīng)力最小值為已知,則壩段所需總鋼絞線根數(shù)為確定值,因此錨索布置的孔數(shù)越少,所需的鉆孔長度及錨具等配套設(shè)施越少、工程投資越節(jié)省。但錨索間距過大,相鄰錨索之間可能出現(xiàn)應(yīng)力跌落,不利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。對(duì)本工程而言,錨孔長度多在40m以上,間距過小難以控制鉆進(jìn)精度。因此適當(dāng)選取較大的錨索間距,可有效節(jié)約工程投資、降低施工難度。參考類似工程經(jīng)驗(yàn),湖南省馬鞍山大壩采用預(yù)應(yīng)力錨索處理抗滑穩(wěn)定不足問題,錨索最大噸位3000kN,錨索間距2.6～5m;石泉大壩預(yù)應(yīng)力錨索加固雙排布置,最大噸位8000kN,排內(nèi)孔間距3m;珠窩水庫曾采用預(yù)應(yīng)力錨固方式對(duì)其混凝土大壩進(jìn)行加固,錨索噸級(jí)為700kN,孔距為1.35m。綜合分析后,本工程對(duì)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(shè)預(yù)應(yīng)力錨索35束,單束設(shè)計(jì)張拉力3900kN～4000kN,長度26～56m。

經(jīng)計(jì)算,采用29根φ15.2mm鋼絞線時(shí),則一束預(yù)應(yīng)力錨索最大超張拉力為4524kN,因此本工程35孔預(yù)應(yīng)力錨索均采用29根φ15.2mm鋼絞線,錨索孔直徑240mm。預(yù)應(yīng)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(shè)于C40混凝土墊墩內(nèi),錨索張拉完成后混凝土回填至壩頂平齊。錨索內(nèi)錨固段在束線環(huán)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(shí)。錨索自由段也采用M40水泥漿灌注。

在擋水壩段壩頂設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索,距離壩體上游面(壩軸線)1.0m。采用材料力學(xué)法計(jì)算單延米壩段受力情況,大壩擋水壩段基本為對(duì)稱布置,在原計(jì)算參數(shù)條件下,施加預(yù)應(yīng)力錨索集中荷載,對(duì)壩段整體進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表4、表5。

表4 預(yù)應(yīng)力錨固前后壩基應(yīng)力對(duì)比表

表5 預(yù)應(yīng)力錨固前后壩體上游面垂直應(yīng)力對(duì)比表

經(jīng)計(jì)算可知,通過對(duì)2#～4#及8#～10#壩段壩頂施加豎向每延米1100～1800kN的預(yù)應(yīng)力,可徹底消除壩踵及壩體上游面拉應(yīng)力,滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

文章針對(duì)鬧德海水庫混凝土重力壩壩體及壩踵出現(xiàn)拉應(yīng)力,影響大壩運(yùn)行安全的問題,提出壩體上游面貼坡與利用預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)增加壩體有利荷載兩種方案。經(jīng)比選,最終采用預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù),并對(duì)錨固方案進(jìn)行了設(shè)計(jì),通過方案設(shè)計(jì)與復(fù)核,采用預(yù)應(yīng)力錨固后,可徹底消除壩踵及壩體上游面拉應(yīng)力,滿足規(guī)范要求,該方案實(shí)施工期短、投資小,可較好地解決因水庫除險(xiǎn)加固帶來的類似問題,對(duì)指導(dǎo)類似工程實(shí)踐具有借鑒意義。