周鳳杰，徐正飛，張旭漫

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210000；2.連云港市水利局，江蘇連云港 222000）

混凝土壩是常見(jiàn)的水利工程建筑物，隨著服役時(shí)間的增加，其服役性能會(huì)逐漸降低［1-2］，壩體會(huì)出現(xiàn)裂縫、老化、破損等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)T發(fā)潰壩，威脅下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全［3-4］，因此，對(duì)超長(zhǎng)服役期的混凝土壩定期進(jìn)行安全性態(tài)評(píng)估十分必要。

由相關(guān)行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)［5］可知，大壩安全評(píng)價(jià)涉及水庫(kù)質(zhì)量評(píng)價(jià)、運(yùn)行管理評(píng)價(jià)、防洪安全評(píng)價(jià)、滲流安全評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)、抗震安全評(píng)價(jià)、金屬結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)等內(nèi)容，強(qiáng)度和穩(wěn)定是評(píng)價(jià)混凝土壩結(jié)構(gòu)安全性態(tài)的兩個(gè)重要方面?，F(xiàn)用于大壩強(qiáng)度和穩(wěn)定分析的方法有材料力學(xué)法和有限元分析法，但在以往的計(jì)算分析中，很少考慮含裂縫的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定分析及爆炸沖擊應(yīng)力對(duì)超長(zhǎng)服役期壩體安全性態(tài)的影響。

本研究以抗日戰(zhàn)爭(zhēng)期間受投擲炸彈爆炸沖擊而產(chǎn)生裂縫的超長(zhǎng)服役期凰窩水庫(kù)大壩為例，首先通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，分析裂縫成因、擴(kuò)展趨勢(shì)以及對(duì)混凝土壩正常運(yùn)行的影響，再結(jié)合材料力學(xué)法計(jì)算含裂縫混凝土壩強(qiáng)度及穩(wěn)定情況，并采用擴(kuò)展有限元法計(jì)算分析爆炸沖擊波應(yīng)力對(duì)壩體安全性態(tài)的影響，最終對(duì)凰窩水庫(kù)大壩進(jìn)行安全性態(tài)綜合評(píng)估。

1 工程概況

凰窩水庫(kù)位于江蘇省連云港市連云區(qū)，現(xiàn)狀總庫(kù)容36.8 萬(wàn)m3，是一座集防洪、備用供水和生態(tài)功能為一體的小（2）型水庫(kù)。水庫(kù)流域長(zhǎng)約1.0 km，流域集水面積1.9 km2，干流比降0.0727。按20年一遇洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水位205.60 m；按200年一遇洪水校核，校核洪水位206.30 m；正常蓄水位同溢洪道堰頂高程為205.00 m。

凰窩水庫(kù)主、副壩均為混凝土重力壩，壩長(zhǎng)分別為110 m 和26.60 m，最大壩高28.21 m，壩頂高程191.06 m，擋浪墻頂高程192.06 m。主壩壩體迎水面高程182.96 m 以上部分豎直，以下部分坡度為1∶0.06，背水面采用臺(tái)階型式，坡度為1∶0.7，壩頂寬度1.09 m；副壩迎水面豎直，背水面坡度1∶0.75，壩頂寬度1.09 m。壩體底部設(shè)置內(nèi)部廊道，廊道橫斷面為城門(mén)洞型，位于高程169.00 m 處，斷面尺寸為2.4 m×2.7 m（寬×高），其布置如圖1所示。

2 裂縫現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

戰(zhàn)爭(zhēng)期間投擲的炸彈爆炸沖擊導(dǎo)致大壩右岸壩體產(chǎn)生裂縫。大壩上游面、壩頂存在較多裂縫，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，主要裂縫情況如表1所示。

表1 壩體混凝土裂縫匯總（庫(kù)水位200.80 m）

由表1可知，主壩、副壩及主副壩結(jié)合部位存在多條裂縫，副壩上游面裂縫分布如圖2 所示。主副壩結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)縫止水存在破損，且縫內(nèi)充滿雜草、漂浮物（圖3），這表明在高水位時(shí)可能是滲水通道。主副壩結(jié)合部位裂縫（圖4、圖5）近幾年來(lái)較為穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)有明顯的縫口張開(kāi)、壩體錯(cuò)位增大的趨勢(shì)。

圖2 副壩右岸壩段上游面裂縫分布

圖3 主副壩交界處表面裂縫

圖4 主副壩交界處開(kāi)裂

圖5 主副壩交界處結(jié)構(gòu)縫

3 含裂縫混凝土壩強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算

3.1 材料力學(xué)法

3.1.1 計(jì)算原理

計(jì)算壩體應(yīng)力時(shí)，沿壩軸線取單位寬度的壩體作為固接于地基上的變截面懸臂梁，按平面問(wèn)題計(jì)算。力的方向規(guī)定如下：水平力以向下游為正，鉛直力以向下為正，力矩以逆時(shí)針為正，正應(yīng)力以壓為正。依據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319—2018），用材料力學(xué)法計(jì)算大壩的強(qiáng)度，復(fù)核大壩的強(qiáng)度性態(tài)，計(jì)算公式為

依據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319—2018），用材料力學(xué)法計(jì)算大壩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，計(jì)算公式為

式中：K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為滑動(dòng)面上抗剪摩擦系數(shù)；∑W1為作用于滑動(dòng)面以上的力在鉛直方向投影的代數(shù)和；U為作用于滑動(dòng)面上的揚(yáng)壓力；∑P為作用于滑動(dòng)面以上的力在水平方向投影的代數(shù)和。

3.1.2 計(jì)算工況及計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL258—2017）中的相關(guān)規(guī)定和凰窩水庫(kù)大壩工程實(shí)際情況。選取基本組合和特殊組合兩種工況對(duì)含裂縫混凝土壩的強(qiáng)度和抗滑穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算。其中，基本組合考慮設(shè)計(jì)洪水位（206.19 m）開(kāi)展計(jì)算，特殊組合則考慮校核洪水位（206.54 m）進(jìn)行計(jì)算，兩種工況的荷載均為各自水位下的水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力和壩體自重。工程中未設(shè)置防滲帷幕和排水設(shè)施，揚(yáng)壓力按照無(wú)防滲排水措施時(shí)的三角形分布計(jì)算?；炷寥葜厝?4.0 kN/m3，泊松比取0.167。

3.1.3 計(jì)算結(jié)果及分析

主壩、副壩材料力學(xué)法計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖6，計(jì)算荷載見(jiàn)表2，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表2 主壩、副壩計(jì)算荷載

圖6 主壩、副壩材料力學(xué)法計(jì)算簡(jiǎn)圖

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319—2018），運(yùn)用期重力壩壩基面壩踵、壩趾的垂直應(yīng)力應(yīng)滿足在各種荷載組合下（地震荷載除外），壩踵垂直應(yīng)力不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力，壩趾垂直應(yīng)力不應(yīng)大于壩體混凝土容許壓應(yīng)力，并不大于基巖容許承載力。由表3中的強(qiáng)度分析結(jié)果可知，在兩種荷載工況下，主壩、副壩壩踵處未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壩趾處壓應(yīng)力小于壩體混凝土容許壓應(yīng)力和基巖容許承載力，故主壩、副壩滿足強(qiáng)度要求。

表3 主壩、副壩應(yīng)力計(jì)算成果

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319—2018），壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K值在基本組合工況下不應(yīng)小于1.05，特殊組合工況下不應(yīng)小于1.00，由表4 中的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可知：主壩、副壩的抗滑穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求。

表4 主壩、副壩穩(wěn)定計(jì)算成果

3.2 有限元計(jì)算

3.2.1 有限元模型建立

根據(jù)主壩、副壩的實(shí)際情況，計(jì)算范圍取為：上游和下游分別取1.5 倍壩高，壩基取1.0 倍壩高。X方向以壩軸線為坐標(biāo)原點(diǎn)，Y 方向以高程為坐標(biāo)。主壩共計(jì)7 380個(gè)單元，副壩共計(jì)768個(gè)單元。根據(jù)炸彈的實(shí)際情況，其大小設(shè)計(jì)為30 cm×10 cm×10 cm（長(zhǎng)×寬×高）。X 方向以軸線為坐標(biāo)原點(diǎn)，Y 方向以高程為坐標(biāo)，共計(jì)360 個(gè)六面體八節(jié)點(diǎn)單元。創(chuàng)建主壩、副壩及炸彈三維有限元網(wǎng)格圖見(jiàn)圖7。

圖7 主壩、副壩及炸彈的三維有限元網(wǎng)格圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，混凝土大壩各分區(qū)的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表5。選取92式步兵炮的炮彈作為轟炸炮彈的型號(hào)，92 式步兵炮采用彈重為3.8 kg 的高爆彈，不考慮炮彈外殼重量等影響因素，則本次模擬采用的TNT當(dāng)量為3.8 kg。

表5 三維有限元計(jì)算分析參數(shù)

3.2.2 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)ABAQUS 有限元模擬軟件計(jì)算分析，此次爆炸的應(yīng)力圖見(jiàn)圖8。

圖8 爆炸應(yīng)力分布

由圖8 可知，此次爆炸沖擊主要影響主副壩結(jié)合處壩體，即大壩右側(cè)頂端。爆炸產(chǎn)生的沖擊波最大應(yīng)力發(fā)生在大壩的右端頂部，應(yīng)力達(dá)到4.69×105Pa。當(dāng)爆炸位于離大壩較近的空中時(shí)，會(huì)在爆炸中心附近出現(xiàn)小范圍的表層破壞，對(duì)大壩整體只有很小的影響。本次爆炸可近似認(rèn)為近場(chǎng)空中爆炸，爆炸應(yīng)力主要作用在大壩的主副壩結(jié)合處，主要位于混凝土壩壩頂部位，因此壩頂為大壩范圍內(nèi)較薄弱位置。

4 結(jié) 論

4.1 結(jié)論

（1）由現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，凰窩水庫(kù)大壩主壩、副壩及主、副壩結(jié)合部位有多條裂縫，且高水位時(shí)為滲水通道，影響結(jié)構(gòu)耐久性，對(duì)大壩安全不利。

（2）經(jīng)采用材料力學(xué)法計(jì)算，主、副壩壩踵位置未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壩址處壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求，抗滑穩(wěn)定系數(shù)K值滿足規(guī)范要求。

（3）經(jīng)采用有限單元法計(jì)算分析，由爆炸產(chǎn)生的最大應(yīng)力達(dá)4.69×105Pa，發(fā)生在大壩的右部頂端，因此混凝土壩壩頂位置應(yīng)為重點(diǎn)關(guān)注的薄弱部位。

4.2 建議

盡快進(jìn)行除險(xiǎn)加固、消除安全隱患，主要措施如下：

（1）修補(bǔ)處理壩體裂縫和結(jié)構(gòu)縫止水，補(bǔ)強(qiáng)上游面破損的防滲砂漿和下游壩面老化破損的混凝土，提高大壩結(jié)構(gòu)整體性和防滲體系完整性。

（2）隱患消除前采取控制運(yùn)用措施，加強(qiáng)檢查監(jiān)測(cè)與應(yīng)急管理，保障水庫(kù)大壩安全。

（4）由于混凝土壩老化現(xiàn)象嚴(yán)重，且壩體存在多條裂縫，工程存在嚴(yán)重的安全問(wèn)題，凰窩水庫(kù)大壩最終應(yīng)評(píng)估為“三類壩”。