覃克非

(四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

武都水庫大壩震損處理及抗震設計

覃克非

(四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

武都水庫壩址距汶川“5.12”大地震發(fā)震斷裂較近，地震對工程區(qū)影響烈度達8度，地震發(fā)生時壩體混凝土正在施工，地震后經(jīng)系統(tǒng)的檢測，客觀分析和評價了地震對工程的影響。根據(jù)提高后的抗震設計參數(shù)進行了全面的抗震安全性復核和震損加強、加固處理，武都水庫工程已建和在建的建筑物均滿足提高地震動參數(shù)后的抗震設計要求。

“5.12”大地震 高混凝土重力壩 抗震參數(shù) 震損 加固處理設計

1 概述

武都水庫壩址位于四川省江油市武都鎮(zhèn)境內的涪江干流上，工程任務以防洪、灌溉為主，結合發(fā)電，兼顧城鄉(xiāng)工業(yè)生活及環(huán)境供水等綜合利用，是武都引水工程的水源工程。武都水庫總庫容為5.72億m3，設計控灌面積15.234萬hm2，按其灌溉規(guī)模確定為大(1)型Ⅰ等工程。樞紐區(qū)主要建筑物有碾壓混凝土重力壩及壩后式廠房，最大壩高120.34m，水庫攔河壩及壩身泄水建筑物級別為1級，壩后式廠房為3級。大壩的地震設防類別為甲類，大壩的地震設計烈度為8度，壩后廠房按基本烈度7度設防。

武都水庫壩址距汶川“5.12”大地震發(fā)震斷裂20km，地震對工程區(qū)影響烈度達8度。武都水庫工程于2004年11月1日正式開工，2008年5月遭遇“5.12”汶川大地震時，攔河大壩正在施工，其中河床壩段已澆壩高28m，左岸壩段已澆壩高最大至38m。地震對在建的主體工程造成了一定影響，正在施工的混凝土因施工工序未完導致質量不合格；剛施工完成的混凝土因待凝時間不足造成局部密集的淺表裂縫，混凝土密實度較差，震后出現(xiàn)垂直裂縫；有少量安全監(jiān)測儀器遭受地震破壞；巖溶洞穴內有局部掉塊垮塌。

地震發(fā)生后，工程建設各方在項目業(yè)主領導下開展了系統(tǒng)的災后重建工作。設計單位進行了包括應急搶險、地震損害檢測、抗震設計標準復核、震損處理、抗震加固處理等一系列震損及加固處理設計。

2 地震損害檢測

為查清“5.12”地震對工程已完成部分的損害，便于下一步工作的開展，各參建單位對整個工程展開全方位的震損檢測及評價工作，主要完成工作如下：

(1)對整個工程壩址區(qū)區(qū)域構造進行調查及評估。對壩基內巖體、壩基內斷層、大壩混凝土/基巖接觸面、壩基已固結灌漿區(qū)域的質量進行震損檢測，對庫區(qū)滲漏及壩區(qū)上下游庫岸穩(wěn)定進行調查及評估；

(2)對壩體裂縫進行調查及檢測。對大壩混凝土質量、兩岸建基面巖體質量進行震損檢測；

(3)對已完成的防滲帷幕灌漿工程進行震損檢測。對大壩區(qū)的巖溶缺陷部位進行了震后檢查；

(4)對金屬結構設備安裝工程進行自檢評定；

(5)對監(jiān)測儀器進行震后檢查，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總分析；

(6)對施工控制網(wǎng)進行震后檢查，并進行了施工控制網(wǎng)的復測及補設工作。

3 抗震標準復核

2002年工程初步設計階段，四川省地震局工程地震研究所對大壩壩址區(qū)地震基本烈度進行了研究，武都引水二期工程武都水庫摸銀洞壩址區(qū)內50年超越概率10%的基巖水平峰值加速度，確定為110cm/s2，地震基本烈度為7度。武都水庫大壩的地震設防類別為甲類，在基本烈度基礎上提高1度作為設計烈度，故按地震設計烈度為8度進行設防，水平向地震加速度代表值αh=0.2g=196.2cm/s2。

2008年“5.12”汶川大地震后，四川省地震局對武都水庫工程場地地震烈度及地震動參數(shù)進行了復核，復核評價結論為，區(qū)內50年超越概率10%的基巖水平峰值加速度為124cm/s2，相當于地震基本烈度7度，與原報告相同，但不同概率地震動水平峰值加速度有一定提高。因此，武都水庫工程大壩的設計地震烈度仍然為8度，但基巖峰值加速度應有提高，經(jīng)研究采用100年超越概率為2%的基巖水平峰值加速度(256cm/s2)進行大壩抗震設計復核，即由前期αh=196.2cm/s2提高到256cm/s2。

4 震損處理

4.1 震損混凝土處理

“5.12”汶川地震時，武都水庫大壩壩體齡期在3d內的已施工混凝土存在震損可能，對經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)已經(jīng)震損的壩體混凝土進行了清除處理。

(1)6#～7#壩段，清除頂層厚1.1m的混凝土，包括廊道頂部混凝土。廊道頂部由于鋼筋密集，混凝土清除困難，如強行清除將破壞鋼筋。因此，確定廊道頂部只需清除鋼筋層以外的混凝土，同時在頂拱部位增設一層鋼筋網(wǎng)；

(2)13#～15#壩段，全部清除頂層已震損的混凝土；

(3)21#壩段在樁號壩橫0+450m右側全部清除已澆的混凝土，用相同標號混凝土回填，然后作并縫處理。

4.2 壩體裂縫處理

4.2.1 劈頭裂縫處理

壩體劈頭裂縫可能會對蓄水后壩體的安全運行構成重大威脅，不僅影響壩體防滲，而且可能在水壓作用下發(fā)展成貫通性裂縫。

4.2.1.1 密集分布的劈頭裂縫處理措施。20#壩段右側上游防滲層面(立面)上有8條劈頭裂縫，密布在右側靠基巖的倒三角形混凝土澆筑體部位。該部位呈倒三角體，面積不大，裂縫密集，處理措施為：清除壩體上游迎水面裂縫密集部位混凝土后，在結合面上設置插筋，并恢復壩橫0+450m處結構橫縫內的止水、基礎止水、槽中止水及迎水面限裂鋼筋網(wǎng)；然后用C9020二級配微膨脹混凝土回填密實，恢復原壩體斷面；最后，在上游迎水面處的新老混凝土結合縫面上鑿V型槽(寬×深=8cm×5cm)，填筑SR防滲塑性材料，并進行表面保護。

4.2.1.2 單獨的劈頭裂縫處理

(1)經(jīng)檢測，裂縫深度大于30cm時鉆斜孔灌漿，鉆孔間距300cm，鉆孔深度50cm～80cm。裂縫深度小于30cm時則鉆騎縫孔聯(lián)合斜孔進行灌漿，騎縫孔間距150cm，深度視裂縫發(fā)育深度而定；

(2)裂隙面接縫灌漿前，對縫面進行封閉處理。在縫口掏梯形槽，用摻加早強劑的M30預縮砂漿填槽，填槽24h后采用0.2MPa的灌漿壓力進行接縫灌漿，灌漿材料采用CW環(huán)氧材料。裂隙面接縫灌漿需在澆筑下倉混凝土前進行；

(3)在其上布置雙層并縫鋼筋網(wǎng)(垂直縫向φ28mm@200，順縫向φ14mm@200)；

(4)在上游迎水面鑿V型槽(寬×深=8cm×5cm)，填筑SR塑性防滲材料，并進行表面保護。

4.2.2 壩體內混凝土裂縫處理

對壩體內的混凝土裂縫，按照處理壩體混凝土溫度裂縫的措施進行。

(1)裂縫深度大于30cm時，鉆斜孔灌漿，鉆孔間距300cm，鉆孔深度50cm～80cm。裂縫深度小于30cm時，則鉆騎縫孔聯(lián)合斜孔進行灌漿，騎縫孔間距150cm，深度視裂縫發(fā)育深度而定；

(2)裂隙面接縫灌漿前，對縫面進行封閉處理：在縫口掏梯形槽，用摻加早強劑的M30預縮砂漿填槽，填槽24h后采用0.2MPa灌漿壓力進行接縫灌漿，灌漿材料采用濕磨細水泥。裂隙面接縫灌漿需在澆筑下倉混凝土前進行；

(3)縫面上放置半圓鋼管(φ159mm×6)，其上布置雙層并縫鋼筋網(wǎng)(垂直縫向φ28mm@200，順縫向φ14mm@200)，第1層鋼筋網(wǎng)距離混凝土表面13cm，第2層鋼筋網(wǎng)距離第1層鋼筋網(wǎng)20cm。

4.3 壓水異常的孔段混凝土處理

6#～7#壩段，壩體混凝土壓水異常的孔，根據(jù)檢測報告分析主要是淺表層有微裂縫連通串水，并非深部有裂縫存在，在清除頂層1m厚混凝土時，已一并進行了處理。

13#～15#壩段、19#～20#壩段存在壓水異常的孔，處理措施為先采用濕磨細水泥灌漿后再封孔。

4.4 帷幕灌漿處理

經(jīng)檢測，“5.12”地震對已施工的帷幕質量基本無影響。因此，不需要對已經(jīng)施工的帷幕灌漿作進一步處理，僅對已經(jīng)施工的帷幕增加檢查孔的數(shù)量，在原檢查孔為灌漿孔總數(shù)10%的基礎上，再增加灌漿孔總數(shù)5%的地震影響檢查孔。

4.5 安全監(jiān)測設備恢復

震后經(jīng)對安全監(jiān)測儀器的檢查發(fā)現(xiàn)，有2支測縫計J6、J17和1組多點位移計M9-1受地震破壞影響，儀器震損。由于儀器修復困難，按在其附近補充增設處理。

5 抗震構造措施

5.1 壩后折坡處增設抗震構造鋼筋

由于壩體擋水建筑物的設計地震烈度為8度，基巖水平峰值加速度達256cm/s2，經(jīng)壩體地震動和三維有限元分析，地震時在壩體下游折坡部位出現(xiàn)應力集中，拉應力較大，因此將壩體下游折坡修改為圓弧型，同時增設了抗震構造鋼筋。

5.2 壩體迎水面增設構造鋼筋網(wǎng)

“5.12”汶川地震后，大壩混凝土局部受損出現(xiàn)了一些裂縫，特別是壩體上游迎水面的劈頭裂縫危害性大。因此，為了增強壩體迎水面混凝土的抗震抗裂性能，也為了限制壩體迎水面可能出現(xiàn)的裂縫向壩體內延伸，參照國內工程實踐經(jīng)驗，在壩體上游迎水面(高程603.00m以下)增設了限裂鋼筋網(wǎng)(φ25mm@150)。

5.3 壓力鋼管鎮(zhèn)墩增設抗震鋼筋

壓力鋼管為壩后背管，鎮(zhèn)墩位于廠房壩段進水口壓力鋼管上彎段，突出于壩體基本體型之外，地震時易產(chǎn)生破壞，在鎮(zhèn)墩表面增設了構造鋼筋網(wǎng)(φ22mm@200)。

5.4 導墻與邊墩連接等部位增設抗震鋼筋

對壩體的溢流壩段，在底孔導墻與邊墩交接部位、表孔導墻與壩體連接部位、電梯井部位以及廠房壩段的進水口牛腿部位等體型復雜、突出于壩體以外的部位，增加了抗震構造筋。

5.5 壩體迎水面增設防滲涂料

“5.12”汶川大地震后，為了增加壩體混凝土迎水面的防滲性能，減小壩體迎水面混凝土開裂后的滲水壓力及其破壞作用，減少混凝土裂縫繼續(xù)發(fā)展的可能性，參照已建工程的經(jīng)驗，在高程659m以下的變態(tài)混凝土防滲層迎水面，增設了LJP型高分子柔性防水涂料層，作為輔助防滲措施。

6 抗震加固措施

6.1 19#壩段深層抗滑穩(wěn)定抗震加固

地震動參數(shù)提高后抗震復核成果表明，右岸高壩段19#壩段的深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小值為2.20，不滿足規(guī)范要求，需要進行抗震加固處理。由于當時19#壩段壩基處理已經(jīng)完成，并且壩體混凝土已澆至569m高程，為減少對已澆筑混凝土的影響和不干擾壩體混凝土的正常施工，處理措施主要集中在對壩體下游抗力體的加固上。具體采取的工程處理措施為：(1)19#壩段壩趾后部的空腔作回填壓重加強；(2)在下游抗力體部位的護坦上，布置2000kN級錨索共48根；(3)將位于下游抗力體部位的右岸護岸，由原設計的貼坡混凝土改為重力式混凝土擋土墻，并在擋墻背后用塊碎石填筑至高程582.00m，以增加抗力體部位的壓重。采取上述處理措施后，19#壩段抗震復核成果滿足規(guī)范要求。

6.2 兩岸非溢流重力壩抗震加固

武都水庫工程左右兩岸為非溢流重力擋水壩段，左岸非溢流壩段共12段(1#～12#壩段)長298m，右岸非溢流壩段共12段(19#～30#壩段)長313m，壩體設計為碾壓混凝土重力壩，體型滿足基本三角型。其頂點取為正常蓄水位高程658m，壩段下游坡為1∶0.75。

復核計算表明，地震動參數(shù)提高后，壩踵、壩趾應力加大，特別是對壩體相對單薄的左右岸擋水壩段，壩踵拉應力水平及范圍均較大。為解決上述問題，設計在維持原設計基本三角型的基礎上，調高了頂點高程，相應增大了壩體混凝土斷面尺寸及壩基面寬度，因此對兩岸壩基下游邊坡坡腳作了二次擴挖處理。

6.3 巖溶發(fā)育部位帷幕灌漿抗震加強處理

武都水庫大壩壩基帷幕灌漿一般為2排帷幕，孔距2m，排距1.8m。在前期設計中，僅考慮對右岸大壩巖溶發(fā)育強烈的下伏水平溶洞(摸銀洞)部位帷幕灌漿采用3排孔，其余部位灌漿采用2排孔?！?.12”汶川大地震后，對兩岸巖溶發(fā)育強烈的部位均增加了1排帷幕孔。

6.4 壩基固結灌漿加強處理

為增強壩基的完整、均勻性，提高抗震性能，對壩基的固結灌漿進行了加強處理。

(1)河床高壩段(9#～20#壩段)的壩基固結灌漿，原設計帷幕前深孔固結灌漿的排數(shù)為1～2排，孔深為15m～20m，地震后，深孔固灌的排數(shù)調整為3～4排，孔深調為20m。對位于6#溶蝕帶和14#溶蝕帶處的壩趾高應力區(qū)，原設計雖然已清除了溶蝕發(fā)育的部分，基本滿足要求，地震后對該部位的壩基固結灌漿進行了加強處理，由原設計的深8m調整為20m，排數(shù)3～5排；

(2)在高、中壩壩段的壩踵、壩趾部位，增加了斜向上、下游的固灌孔，擴大了壩基固結灌漿范圍。

6.5 壩基巖溶缺陷加強處理

通過震后巖溶洞穴的調查，雖然“5.12”地震對壩區(qū)巖溶洞穴地段沒有直接造成毀滅性危害，僅個別溶洞內有掉塊和垮塌的現(xiàn)象，但地震波作用力對埋藏型巖溶洞穴巖體仍有潛在的破壞影響。為減輕“5.12”地震對本工程巖溶缺陷造成的潛在破壞影響，同時防患于未然，加大了巖溶缺陷處理范圍，提高工程安全裕度。

對于壩基內存在的影響壩基變形和穩(wěn)定的溶蝕帶，其中發(fā)育于27#～28#壩段的11#RSD和發(fā)育于21#～26#壩段地基內的9#溶蝕帶范圍和規(guī)模大，對壩基影響最為嚴重。在前期設計中，對溶蝕帶主要采用加深、加密固結灌漿方式進行處理，在“5.12”地震后，為進一步提高壩基的整體性和抗震能力，對壩基中的溶蝕帶作了加強處理。處理措施改為，對溶蝕風化較嚴重的部位采取清挖后置換混凝土的方案，處理更為徹底。

6.6 壩基斷層、裂隙等地質缺陷加強處理

壩基地層內，存在一些影響壩基穩(wěn)定和承載力的斷層和裂隙等地質缺陷。在前期地基處理設計中，對壩基內出露的性狀較差、規(guī)模較大的缺陷，采取了挖除后置換混凝土處理，對規(guī)模較小的地質缺陷則采取固結灌漿等加固方式進行處理。“5.12”地震后，為提高壩基的抗震能力，對前期進行簡單處理的壩基地質缺陷(主要是斷層和裂隙等)加強了處理力度，基本上都采取了挖除后置換混凝土的處理措施。

6.7 泄洪表、底孔抗沖蝕加強處理

在“5.12”地震之前，涪江干流所在地區(qū)森林密布，植被良好，沿河有少量泥沙補充，在前期設計中主要考慮清水出庫，原設計泄洪底孔按清水河流進行表面鋼襯保護，鋼襯按統(tǒng)一厚度(δ=10mm)襯護，鋼材為16Mn鋼。“5.12”地震后，上游山體多處崩塌，邊坡受損嚴重，水流的推移質增多，含沙量增大，因此需加大對底孔的鋼襯保護，以提高其抗沖耐磨能力。在檢修門槽以上的進口段，因不具備檢修條件，采用不銹鋼復合板；檢修門后的泄洪洞身段和出口段，仍采用16Mn鋼板，但增大了鋼襯的厚度；同時為加強鋼襯與混凝土的連接，加密了加勁環(huán)。

6.8 表底孔閘墩抗震加強處理

大壩壩身泄洪沖砂有壓底孔共3個，弧門最大單鉸推力為27000kN；表孔2個，弧門最大單鉸推力為15000kN。

在前期設計中采用的是常規(guī)鋼筋混凝土閘墩，“5.12”地震發(fā)生后，為增大表、底孔閘墩的抗震性能，增加閘墩的整體性，降低特殊工況下閘墩混凝土的拉應力水平，保證閘門在特殊情況下能正常開啟，將鋼筋混凝土閘墩調整為預應力閘墩。

6.9 下游護岸抗震保通處理

武都水庫壩區(qū)低部位的永久交通道為左岸的高程580m公路，而右岸高程580m公路僅為施工臨時通道。兩岸地形在武引取水樞紐閘后地勢平坦，武引閘前到壩后屬于山區(qū)地形，兩岸邊坡陡峭，兩岸高程580m公路沿河傍山而建。“5.12”地震發(fā)生后，為保證壩下游交通在特殊情況下暢通，為抗震搶險提供必要的交通條件，兩岸應有必要的交通道通至壩后，因此將右岸高程580m公路也保留為后期可用的交通道。同時，為在緊急情況下放空水庫時提高下游河道兩岸的抗沖能力、固定河道，將原設計的護岸范圍向下游延伸至武引一期取水閘前，即對壩體下游至武引一期取水閘前的兩岸，也進行了整治防護。

7 結語

武都大型水庫混凝土重力壩高壩在建設過程中遭遇大地震，需提高抗震設計動參數(shù)，使已施工結構和未施工結構均滿足抗震設計要求，屬國內外少有，設計難度大。設計單位最終依據(jù)震損檢測及抗震復核成果，按照“中震不壞、大震可修、極震不倒、確保安全、留有裕度”的抗震原則，最大限度地減輕地震損害，對武都水庫主體工程進行了全面的抗震安全性復核和評價，并采取切實可行的工程措施增加建筑物的抗震能力。包括清除處理已震損的混凝土、增加抗震構造措施、對經(jīng)復核安全性不足的部位進行補強加固處理，對后期特殊工況下可能出現(xiàn)危及工程安全的部位進行加強處理，適當增大壩基下巖溶洞穴的處理范圍，預留抗震搶險通道等。經(jīng)過抗震設計復核和加強、加固處理，武都水庫工程已建和在建的建筑物，均滿足提高地震動參數(shù)后的抗震設計要求。

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