王 偉,范建朋

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

重力壩是水利水電工程作為擋水壩所采用的主力壩型之一，具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、耐久性好、技術(shù)成熟等優(yōu)點，倍受大壩工程界的青睞。目前，已建大壩工程中正在服役的重力壩有數(shù)萬座，關(guān)于重力壩的文獻資料雖眾多，諸如重力壩結(jié)構(gòu)設計及數(shù)值模擬[1-3]、監(jiān)測設計[4]以及相關(guān)施工技術(shù)[5]等方面，但關(guān)于重力壩修復文獻資料少之又少。G.吉塞派提等[6]參考動力學試驗和數(shù)值模擬技術(shù)，早在20世紀90年代針對安斯帕重力壩施工裂縫進行了修復設計；楊穎[7]以月潭水庫為例介紹了重力壩止水銅片缺陷產(chǎn)生的原因、修復方案、質(zhì)量控制等，修復后達到了良好的效果；趙成先[8]對高寒地區(qū)RCC(Roller compacted concrete)重力壩上游面保溫措施修復有獨到的研究，通過涂刷防冰拔涂層解決冰拔破壞；蘇懷智等[9]通過重力壩工程病險除控實施效能評估研究，以期建立和完善重力壩典型工程措施及實施效能評估體系?？傊?，根據(jù)重力壩險情不同，除險加固補強修復方案也存在較大差異，修復設計與施工往往在質(zhì)量、時間方面要求較高，設計和施工周期較短。因此，本文以尼泊爾上博迪克西水電站重力壩修復為例，通過重力壩受損評價，提出了各壩段修復方案，為重力壩修復增添一可供借鑒的案例。

1 工程概況

尼泊爾上博迪克西水電站位于加德滿都東北方向約75 km，距離中尼邊境陸路樟木口岸約5 km。該水電站為低壩長引水式電站，擋水壩為溢流式混凝土重力壩，電站裝機2臺，單機容量22.5 MW，于1997年開工建設，2001年1月建成發(fā)電。

本工程經(jīng)歷了2015年的里氏7.8級Gorkha地震及其余震和2016年7月5日洪水引發(fā)泥石流等兩次嚴重的自然災害，地震對大壩造成的損傷不大，而泥石流沖擊壩址首部樞紐區(qū)，造成嚴重損害，沖毀了大壩的右壩肩和地基，致使重力壩失去了擋水發(fā)電的原有功能，需要修復或重建恢復。由于工程處于高地震烈度區(qū)，修復結(jié)構(gòu)的抗震性能復核分析在修復或重建時需要重點關(guān)注。

圖1為2016年由冰川湖潰決引發(fā)大洪水事件前右岸1～3號重力壩段的情況，可見在2015年5月尼泊爾里氏7.8級地震和余震中，重力壩完好無損，只是在右岸1號壩段水庫淤積基本接近壩頂高程。2016年大洪水事件后，重力壩1號壩段壩基部分被掏空(見圖2、3)，由于泥石流的過壩以及混凝土出現(xiàn)輕微碎裂，造成磨損及侵蝕破壞嚴重，且在大壩下游沿壩頂發(fā)現(xiàn)有裂紋及剝落現(xiàn)象。除了1號壩段右側(cè)因河道侵蝕而露出外，壩體上游面大部分已被沖積層淤積掩蓋，冰川湖潰決的洪水事件對大壩造成了嚴重的傷害。

圖1 2015年5月地震后首部樞紐照片

圖2 2016年7月洪水后首部樞紐照片

從大壩損毀后檢查情況看，重力壩頂部的施工縫較緊密無拉開現(xiàn)象，沒有發(fā)現(xiàn)偏移或位移，除嚴重損毀的1號壩段的壩肩和地基外，在大壩下游面及下游基礎沒有發(fā)現(xiàn)任何滲漏或漏水現(xiàn)象，表明壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及大壩基礎防滲設施沒有潛在的較大損害。在洪水自然災害事件中，高速水流攜裹泥沙和巖石，甚至包括直徑達10 m的漂礫石，造成大壩壩頂和下游面混凝土不同程度的磨蝕損害。沿壩頂上游邊緣混凝土發(fā)生了200 mm以上的磨損和侵蝕，在下游面可以看到大部分混凝土里的粗骨料以及用于控制裂縫的鋼筋網(wǎng)。泥石流嚴重損毀了靠近右岸岸坡1號壩段的壩肩和地基，但1號壩段整體仍然完整，右岸壩肩漿砌石護岸和通往大壩的道路被破壞，中尼高速公路被切斷，在沖刷作用下，右壩肩處形成一條繞過重力壩的新河道。洪水事件后右壩肩及1號壩段情況見圖3。

圖3 洪水事件后右壩肩及1號壩段情況

鑒于上述損毀情況，大壩壩頂需局部拆除，換上新的結(jié)構(gòu)混凝土層。大壩下游侵蝕破壞部分混凝土面需重新澆筑面層。右岸1號壩段需要修復或重新設計。

2 修復方案

2.1 1號壩段修復

2.1.1原1號壩段結(jié)構(gòu)

混凝土重力壩1號壩段為右岸岸邊壩段，壩段長度為30 m。壩頂高程1 435.00 m，壩頂寬為6 m。上游坡為1∶0.5，起坡高程為1 426.00 m，下游坡為1∶0.5，起坡高程為1 434.45 m，建基面最低高程為1 413.00 m，最大壩高22 m。壩基為砂礫石基礎，設置一道0.8 m厚的懸掛式防滲墻，防滲墻深度20 m，1號壩段上下游側(cè)均采用漿砌石護岸。重力壩標準橫剖面見圖4。

圖4 重力壩標準橫剖面 單位：m

2.1.2修復方案

國外某家設計咨詢公司進行了招標修復方案設計，其中1號壩段修復方案：拆除整個壩段，并重新設計修建。考察此修復方案施工過程可知，1號壩段上下游綜合坡比1∶1，體型龐大，拆除工期較長。合同規(guī)定拆除過程中不得使用炸藥有聲爆破，那么即使采用無聲爆破，也難以保證不會對同樣建在覆蓋層基礎上的相鄰的2號壩段及接縫止水造成新的破壞，此方案難以避免拆除過程中對2號壩段造成的影響。

從災后1號壩段的實際性態(tài)看，遭遇地震和洪水災害后的1號壩段仍然屹立不倒，說明其整體穩(wěn)定，故拆除理由不是很充分。且就其功能而言，新建的1號壩段只要具有擋水功能即可，并不一定要在原位置上，且可通過精心設計，將原1號壩段的擋水作用改變?yōu)閴雾斀煌ㄗ饔茫瑢ζ浼右猿浞掷?。鑒于此，本文提出的修復方案為保留原1號壩段，在其上游側(cè)重新修建新的1號壩段(見圖5)。具體如下：

圖5 重力壩修復方案

(1) 用毛石混凝土回填原1號壩段掏空的地基，并對接縫進行灌漿，進一步加強壩段的整體穩(wěn)定性。

(2) 在原1號壩段上游新建1號壩段，大壩上游設置防滲墻與原壩段防滲墻相接，在與原1號壩段上游面連接處設止水，形成全封閉的防滲體系。

(3) 為滿足修復后在冰川湖潰決校核洪水工況下重力壩頂具備一定的過流能力的要求。在保證原溢流壩頂部長度滿足大壩的泄洪能力的前提下，維持新建1號壩段12.5 m長的壩頂高程與相鄰2號壩段壩頂高程相同，壩肩部位采用臺階式澆筑混凝土至1 440.50 m高程連接右岸的道路，既可加強右壩肩的防護，又可避免右壩肩邊坡發(fā)生沖蝕破壞。

(4) 對新1號壩段下游與原1號壩段之間的空腔進行素混凝土回填，形成一條新的通往壩頂?shù)牡缆?，與原1號壩段的壩頂連接，原來的1號壩段將主要作為通往壩頂?shù)耐ǖ馈?/p>

與國外的設計咨詢公司招標修復方案比較，此方案除保證了施工總進度外，節(jié)省混凝土拆除及澆筑工程量約5 000 m3，估算節(jié)約投資達1 100萬元，效益顯著。

2.2 2號及3號壩段修復

災后檢查證實了洪災期間2號和3號重力壩壩段基本沒有移動，上游面基本完好。只是壩頂和下游面受到破壞，處理方案要求壩頂及下游混凝土面拆除或鑿毛，并澆筑新的混凝土結(jié)構(gòu)層，恢復原體型結(jié)構(gòu)尺寸。在澆筑新混凝土前，舊混凝土表面涂抹環(huán)氧樹脂提高黏結(jié)力，具體修復措施如下：

(1) 溢流面頂部及下游面(壩下0+002.782 m～ 0+014.600 m)采取修復措施如下：① 鑿除高程1 434.80 m以上混凝土，其余溢流表面的混凝土鑿毛處理；② 布設直徑為12 mm，間距為250 mm的鋼筋網(wǎng)；③ 植入直徑為20 mm，間排距為1000 mm×1000 mm，長為1 800 mm的插筋；④ 施工縫面用高壓水槍沖刷干凈，晾干后刷涂環(huán)氧樹脂，然后澆筑200 mm厚的C20混凝土到設計表面。

(2) 上游面(壩下0+002.782 m～壩上0+010.600 m)采取修復措施如下：① 混凝土已經(jīng)破壞并且鋼筋露出來的區(qū)域，應將原設計表面以下200 mm厚的混凝土摳掉，布設直徑為20 mm，間排距為1000 mm×1000 mm，長為1 800 mm的插筋；原來存在的鋼筋如果有被破壞的用相同直徑的鋼筋加固，插筋和加固鋼筋均應與存在的鋼筋網(wǎng)焊接，施工縫面刷涂環(huán)氧樹脂，然后澆筑C20混凝土；② 對于深度小于100 mm大于50 mm 的凹坑，應先進行鑿毛，并刷環(huán)氧樹脂，然后填充C20混凝土；③ 對于深度小于50 mm的凹坑，應先進行鑿毛，并刷環(huán)氧樹脂, 再用與C20混凝土同成分的細骨料混凝土抹平；④ 混凝土表面修復時，應保證底板及左側(cè)邊墻表面混凝土修復的整體性、平整性。

2.3 穩(wěn)定計算復核

由于該工程處于強震區(qū)，擋水建筑物的抗震功能是修復設計的關(guān)鍵，故本文著重對新建重力壩的動力穩(wěn)定進行分析說明。

對于新建的重力壩標準斷面，采用材料力學法和反應譜法進行滑動安全系數(shù)復核分析，水平地震動峰值加速度取原設計參數(shù)0.2g，地基覆蓋層摩擦系數(shù)取0.55。采用振型分解反應譜法進行大壩的動力穩(wěn)定分析時，首先應用無質(zhì)量地基模型，求解壩體自振特性和建基面振動剪力。通過計算得到壩體前10階振型，并求解出建基面各點的振動剪力。壩體前2階振型見圖6。

圖6 壩體前2階振型

采用材料力學和反應譜2種方法計算所得的壩基抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果見表1。

表1 壩基抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果

由表1可見，壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于允許值，通過計算表明大壩在原地震動設計標準下是安全的。

2.4 強震下二維動力時程分析

鑒于工程區(qū)在2015年發(fā)生了里氏7.8級Gorkha地震及其余震，按委托方要求，在原地震加速度0.2g計算分析的基礎上，考慮實際發(fā)生地震的因素，取運行基準地震OBE=0.65g，最大設計地震MDE=1.2g，進行地震加速度參數(shù)的敏感性分析，對新1號壩段斷面進行地震動力時程分析[10]，目的在于了解其地震時的工作性能狀態(tài)。地震加速度時程曲線見圖7。

圖7 地震加速度時程(水平向，MDE-智利M8.8)

(1) 計算參數(shù)

地震計算時，混凝土及覆蓋層的阻尼比分別取0.05和0.07，計算參數(shù)如表2、3所示。

表2 混凝土及地基材料參數(shù)

表3 各類接觸面參數(shù)

(2) 邊界條件

由于基巖的剛度遠大于覆蓋層的剛度，覆蓋層底部的輸入運動幾乎不受上部沖積層的影響，露頭處的運動被歸結(jié)為基巖底部的輸入運動。利用lysmer和kuhlemeyer1969年提出的黏性邊界定義了能量吸收邊界。在土的線性模型假設下，通過振動程序得到了兩側(cè)的自由場運動。邊界條件見圖8。

圖8 黏性人工邊界

(3) 線性動力分析

采用線性動力時程分析了解了應力、壩頂位移及滑動安全系數(shù)，在此僅列出OBE工況下的計算結(jié)果，見圖9～12。

圖9 最大主應力計算結(jié)果 圖10 最小主應力計算結(jié)果

圖11 壩頂位移時程計算結(jié)果

圖12 滑動安全系數(shù)時程計算結(jié)果

由于本工程采用美國陸軍工程師兵團標準[11-14]設計，混凝土應力性能評估利用需求能力比(DCR)作為關(guān)鍵績效指標，最大主應力1.18 MPa，小于允許值2.4 MPa(DCR取1)；最小主應力3.38 MPa，亦小于允許值；壩頂最大位移1.32 m；滑動安全系數(shù)0.19。

(4) 非線性動力分析

采用非線性動力時程分析了壩體最終滑移值，OBE和MDE工況下的計算結(jié)果分別為1.92 m和16.06 m，見圖13～14。

圖13 OBE滑移量時程計算結(jié)果

圖14 MDE滑移量時程計算結(jié)果

可見，在如此高的地震動參數(shù)下，大壩產(chǎn)生的位移較大，滑動安全系數(shù)也遠小于1，大壩將會發(fā)生毀滅性破壞，而實際情況是2015年當?shù)乩锸?.8級地震發(fā)生后，大壩基本安全穩(wěn)定，包括重力壩橫縫止水結(jié)構(gòu)和壩頂結(jié)構(gòu)物都是完好的，因此二維動力時程分析結(jié)果可以間接表明，2015年的地震在本工程區(qū)域的地震響應沒有達到如此高的地震加速度。另外，結(jié)合高震區(qū)一些工程實例，如果工程區(qū)的地震加速度達到1.2g，不適宜修建擋水建筑物，更不適合在覆蓋層上修建重力壩。

3 結(jié) 論

(1) 新的1號壩段修復方案設計順利完成并付諸實施成為本工程的一大亮點，該方案使投資節(jié)省較多，工期得到保證，電站按時發(fā)電獲得了有力保障，經(jīng)濟效益顯著。

(2) 通過材料力學法和反應譜法計算復核分析，大壩在原地震動設計標準下是安全的，修復方案合理可行。

(3) 本文采用國外標準，對1號壩段斷面的地震加速度參數(shù)敏感性進行了動力時程法分析研究，了解了OBE和MDE工況下1號壩段的工作性能狀態(tài)，間接表明2015年地震時本工程區(qū)實際發(fā)生的地震響應不會達到如此高的地震加速度。

本水電站修復工程2019年9月13日下閘蓄水，2臺機組在兩個多月后同時順利發(fā)電，目前已經(jīng)安全運行2 a有余，大壩運行狀況良好。