碾压混凝土重力坝坝体加固处理及抗滑稳定分析

娄天翔

(浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)



碾压混凝土重力坝坝体加固处理及抗滑稳定分析

娄天翔

(浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)

层面胶结不良的碾压混凝土重力坝存在着坝体渗漏和抗滑稳定安全度不足两方面的问题，因此提出了以上游防渗面板和坝体补强灌浆为主的坝体加固处理方案，并采用了反演方法进行坝体抗滑稳定分析，为同类工程坝体加固设计提供了参考。图1幅，表3个。

碾压混凝土重力坝；不良层面；加固；计算分析

0 引 言

早期碾压混凝土重力坝由于在施工质量控制上缺少经验，施工质量较差，坝体多存在胶结不良的层面。一方面这些层面有较强的渗透性，成为大坝渗漏的主要通道；另一方面这些层面物理力学指标较低，坝体抗滑稳定安全度不足。为了解决重力坝坝体渗漏和坝体抗滑稳定安全度不足两方面的问题，有必要对重力坝坝体加固处理及抗滑稳定进行分析研究。

1 工程概况

某水库工程为1座以灌溉为主，结合供水、发电、防洪等综合利用的大型水利工程，总库容2.23亿 m3。工程于1993年4月动工，1997年底完工，拦河大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程196.24 m，最大坝高79 m，坝顶长390 m。2015年启动大坝安全鉴定，通过钻孔取样并结合孔内电视摄像分析，大坝碾压混凝土层面的质量离散性较大，其中胶结不良的层面骨料呈松散、分离和不成型，层面基本处于脱开状态，层面混凝土结构均较为松散(见图1)。经统计，此类层面占碾压混凝土总层面的19%～33%。坝体压水试验表明坝体碾压混凝土层面透水率较大，透水率q=10～30 Lu之间占比62%；q=30～40 Lu之间占比10%；q=40～80 Lu之间占比18%。

图1 碾压混凝土胶结不良层面(钻孔取芯)

2 坝体加固处理方案

针对此水库碾压混凝土重力坝坝体渗漏和抗滑稳定安全度不足两方面的问题，需要对坝体进行防渗加固和结构加固处理。加固处理方案由新建上游混凝土防渗面板、坝体补强灌浆和下游坝面贴坡混凝土3个部分组成。新建上游混凝土防渗面板C25混凝土厚度为0.80 m，面板分缝间距为17 m，缝内设铜片止水1道。对坝体进行补强灌浆，在坝轴线下游5.25、7.25、40.00 m和45.00 m处设置4排灌浆孔，孔距2.00～3.00 m，灌浆材料采用普通水泥。对下游坝面进行贴坡混凝土处理，C20混凝土厚度为0.30 m。

新建上游防渗面板可同时达到坝体防渗加固和结构加固的目的，坝体补强灌浆以大坝防渗加固为主，同时也改善了碾压混凝土层面的物理力学性能；下游坝面贴坡混凝土具有结构加固作用。

3 坝体抗滑稳定计算分析

3.1 计算方法

采用抗剪断强度公式和抗剪强度公式计算重力坝碾压混凝土层面抗滑稳定安全系数。

式中，K1为抗剪断强度稳定安全系数；K2为抗剪强度稳定安全系数；f′为抗剪断摩擦系数；f为抗剪摩擦系数；c′为抗剪断凝聚力；A为滑动面的面积；ΣV为作用于滑动面上铅垂方向的作用力；ΣH为作用于滑动面上水平方向的作用力；U为作用于滑动面上的扬压力。

基本组合一(水库正常蓄水位)：自重+静水压力+扬压力+浪压力；基本组合二水库水位为设计洪水位；特殊组合水库水位为校核洪水位。

3.2 加固处理前重力坝坝体抗滑稳定计算分析

重力坝坝体层面抗剪断摩擦系数f′=0.70～1.0，抗剪断凝聚力c′=0. 65～1.05 MPa；坝体层面抗剪摩擦系数f=0.63～0.75。加固处理前抗滑稳定计算成果如下所示(见表1、表2)。

表1 坝体层面抗滑稳定计算成果(抗剪断公式)

表2 坝体层面抗滑稳定计算成果(一)(抗剪公式)

从上表可知，基本组合二为控制性的荷载组合，121.24 m层面为控制性的坝体层面，当物理力学指标采用最大值时，稳定安全系数满足规范要求；当物理力学指标采用平均值时，稳定安全系数略小于规范规定值；当物理力学指标采用最小值时，稳定安全系数与规范规定值有较大差距。由此可见，由于坝体层面施工质量较差，物理力学指标有离散型和不确定性，重力坝层面的抗滑稳定性存在着较大的问题。

3.3 加固处理前坝体抗滑稳定反演分析计算

通过对加固处理前坝体抗滑稳定成果分析，由于坝体层面的物理力学指标具有离散性和不确定性，采用地质专业提供的物理力学指标很难准确地评价坝体层面抗滑稳定安全度。由于重力坝存在着胶结不良的碾压混凝土层面，坝体渗漏较严重，碾压混凝土水泥用量本来就较少，较严重的层面渗漏水不断地带走水泥胶凝材料，恶化层面的物理力学性能，如果不对坝体进行加固处理，未来重力坝坝体抗滑稳定会达到临界状态。因此，为了较准确地评价现状坝体层面抗滑稳定安全度，同时为加固处理后的坝体层面抗滑稳定计算和坝体加固处理措施提供基准依据，有必要进行大坝坝体抗滑稳定反演分析计算。采用基本组合二(控制性荷载组合)作为反演计算工况，采用121.24 m高程坝体层面(控制性坝体层面)作为代表性坝体层面，以用抗剪公式计算的坝体层面抗滑稳定安全系数1.00作为基准进行反演分析计算，得到的坝体层面抗剪摩擦系数f=0.682。

3.4 加固处理后重力坝坝体抗滑稳定计算分析

根据抗滑稳定反演分析计算得到的抗剪摩擦系数f=0.682，采用抗剪公式对加固处理后各高程坝体层面进行抗滑稳定计算。 坝体上游面加厚0.8 m，下游面加厚0.3 m；同时通过防渗加固，坝体渗透压力系数α从0.35减小到0.25(见表3)。

坝体加固处理后，121.24 m高程层面的基本组合稳定安全系数为1.08，大于规范容许的稳定安全系数1.05，与加固处理前的稳定安全系数1.00相比，增加幅度为8.0%，大坝坝体层面的抗滑稳定安全度有了较大幅度的提升。

表3 坝体层面抗滑稳定计算成果(二)(抗剪公式)

4 结 语

(1) 层面胶结不良的碾压混凝土重力坝存在着坝体渗漏和抗滑稳定安全度不足两方面的问题。

(2)采用新建上游混凝土防渗面板、坝体补强灌浆和下游贴坡混凝土，可较好地解决层面胶结不良的碾压混凝土重力坝坝体结构加固和防渗加固两大问题。

(3)可采用反演法进行层面胶结不良的碾压混凝土重力坝加固的设计计算，即先通过反演法分析计算得到层面抗剪摩擦系数，然后再用此抗剪摩擦系数对加固设计后的坝体进行抗滑稳定验算。

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责任编辑 吴 昊

2016-10-08

娄天翔(1991-)，男，工程师，主要从事水利水电工程设计工作。E_mail：346508707@qq.com