李煊明

（福建省水利水電勘測設計研究院，福建福州350001）

1 工程概況

東坑水庫總庫容1 666萬m3，大壩原設計為混凝土面板堆石壩，迎水坡坡比1∶0.5。壩體上游迎水面采用混凝土面板防滲，面板坐落在剛性漿砌石斜墻上，壩體下游側為堆石體，背水坡為干砌石護坡，壩頂高程364.9 m，最大壩高42.0 m。東坑水庫大壩1976年4月動工興建，1980年6月建成蓄水。由于水庫大壩施工時填筑質量差，密實度低，同時填筑壩體部分堆石料強度低，泡水后軟化，在受擠壓狀態(tài)下易破碎，致使樞紐工程投入運行以來，大壩出現較大的位移及沉降變形、面板嚴重開裂，壩體漏水嚴重，最大滲漏水量達724.7 L/s。現場巡查發(fā)現壩體位移、沉降變形嚴重，下游壩面拱起，壩頂防浪墻往下游拱曲，據壩頂變形觀測資料，防浪墻最大累積變形量達87 cm，上游面板縱橫裂縫明顯，壩頂下游側沉降開裂。對大壩出現的沉降變形嚴重、面板開裂、壩體漏水等安全隱患，水庫管理部門進行過幾次工程加固處理，大壩經過幾次應急加固處理后，短期效果比較明顯，但整個壩體變形未趨穩(wěn)定，隨時間的推移，面板裂縫重新發(fā)展，同時壩體變形經過量的積累，進一步牽引面板的開裂，經過多年運行，大壩漏水更加嚴重。1987年和2001年，東坑水庫兩次被列為“病險”庫，長期以來水庫一直以限制水位的方式帶病運行。針對水庫大壩存在的問題和水庫的重要性，需要對東坑水庫大壩進行一次全面徹底的除險加固處理。

2 面板堆石壩結構及受力特點

面板堆石壩主要承受自重和水荷載，而自重荷載引起的變形大部分在水庫蓄水前就已完成。根據一些面板堆石壩的原型觀測，面板堆石壩沉降規(guī)律為：蓄水前壩軸線以下壩體，大部分已完成總沉降量的90%以上，靠近面板附近的壩體僅完成總沉降量的25%～70%不等，愈靠近上游壩坡，蓄水后產生沉降的可能性愈大。原型觀測表明，在自重與水荷載的共同作用下，上游面附近的水平位移、垂直位移均比下游面附近的大，且水平位移比垂直位移大得多；除下游壩趾附近測點向外移動外，絕大多數測點都是向內移動，由此說明大壩體積受到壓縮，并且壩體壓縮主要集中在其上游部分。經分析，這是由于絕大部分水荷載是通過壩軸線以上壩體傳到地基中去。根據壩體不同部位的受力情況和變形性狀，壩體可填筑工程性質不同的壩料，愈往下游的堆石體對面板變形的影響愈小，壩料的變形模量可以從上游到下游逐級減小。面板壩正是根據壩體不同部位的變形性狀和受力特點對壩體進行分區(qū)，從上游至下游依次分為墊層料區(qū)、過渡料區(qū)、主堆石區(qū)和次堆石區(qū)，主堆石區(qū)是面板壩承受水荷載及其它荷載的主要支撐體，絕大部分水荷載由主堆石體傳入壩軸線上游的地基中。

3 東坑堆石壩加固技術原理

研究認為，東坑水庫面板堆石壩在水荷載作用下雖經二十幾年運行，堆石體變形仍未穩(wěn)定，且變形呈跳躍式規(guī)律變化，其原因主要為原堆石體空隙率大，解決的根本辦法在于如何減輕原堆石體承受的水荷載強度，使之與其承受能力相適應。根據面板堆石壩的受力變形特點，認為面板堆石壩主堆石區(qū)是大壩的主要支撐體，是水荷載傳遞至壩基的主要傳力體，特別是大壩上游壩坡范圍的主堆石區(qū)，由此可以采用在原堆石體上游側增設主堆石區(qū)和新建防滲鋼筋混凝土面板的有針對性的加固處理方案。通過增設主堆石區(qū)，將水荷載大部分轉移到原壩軸線上游新建的主堆石區(qū)上，從而降低了原堆石區(qū)承受的水荷載。壩體加固剖面見圖1。

4 大壩加固有限元計算分析

為確保選定的加固方案安全可靠，確保大壩加固后應力和變形滿足規(guī)范要求，進行了加固面板堆石壩有限元計算分析，有限元計算網格如圖2所示。同時為優(yōu)化設計，節(jié)省除險加固工程投資，在確定上游新增面板堆石壩壩體斷面時，設計考慮了將原壩軸線往上游分別平移6 m、9 m和12 m三個方案進行比較分析論證。有限元計算的主要結論如下：

（1）隨著壩軸線向上游移動，蓄水后的壩體水平位移增量不斷減小，壩體垂直位移增量也不斷減少，壩軸線向上游移6 m、9 m和12 m三個加固方案蓄水后水平位移增量最大值分別為21 mm、16 mm和10 mm，垂直位移增量最大值分別為24 mm、19 mm和16 mm。2010年7月27日大壩實測最大沉降為18 mm，最大水平位移為18 mm，計算值和實測值接近。

圖1 主壩橫斷面圖Fig.1 Cross section of the main dam

（2）壩軸線向上游移6 m加固方案，蓄水期壩體應力水平為0.2～1.03，壩體材料抗剪強度略顯不足；壩軸線向上游平移9 m和12 m兩個加固方案在蓄水期壩 體 應力水平分 別 為 0.2～0.95 和 0.2～0.92，壩體材料抗剪強度可以滿足要求，不會發(fā)生剪切破壞。從計算情況看，大壩加固選取壩軸線向上游移9 m方案，壩體變形、應力水平均較為合適；選取壩軸線向上游移12 m方案斷面偏大。

圖2 計算范圍網格圖Fig.2 Calculation grid

5 實施效果

東坑水庫堆石壩除險加固于2008年10月8日開工，2010年2月通過下閘蓄水驗收并投入運行。水庫蓄水后，通過大壩沉降位移監(jiān)測，大壩最大沉陷量為18 mm，最大水平位移值為18 mm，壩后量水堰測得的最大滲漏水量為1.95 L/s（庫水位360.7 m）。相比水庫除險加固前最大沉陷量734 mm，最大水平位移值871 mm，最大滲漏水量724 L/s，除險加固后大壩變形及大壩滲漏水量值均很小，除險加固效果良好，大壩恢復了正常運行。2010年8月20日東坑水庫除險加固工程順利通過竣工驗收。

6 經驗與體會

東坑水庫大壩由于位移及沉降變形大且變形未趨穩(wěn)定、面板嚴重開裂、大壩嚴重漏水等安全隱患，在除險加固方案設計過程中，結合水庫大壩的壩型和結構特點，采用有針對性的除險加固方案，有效遏制了大壩原堆石體的變形，加固處理效果良好。設計主要經驗、結論如下。

（1）根據東坑水庫大壩存在的問題和大壩結構特點，設計采用在原堆石體上游側增設主堆石區(qū)和新建鋼筋混凝土防滲面板的加固方案。通過增設主堆石區(qū)，將水荷載大部分轉移到原壩軸線上游新建的主堆石區(qū)上，從而降低原堆石區(qū)承受的水荷載。根據除險加固后大壩沉降變形觀測和壩后滲漏水量觀測，大壩變形及大壩滲漏水量值均很小，說明除險加固方案選擇是正確的，工程經驗可以在類似工程中推廣應用。

（2）對于病險堆石壩，采用在其上游側增設主堆石區(qū)和新建鋼筋混凝土防滲面板的加固方案時，為有效、經濟地進行加固處理，采用有限元計算手段進行多方案比較分析來確定上游側最優(yōu)加固斷面是合適的，也是必要的。

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