熊 偉

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十師水利工程管理服務(wù)中心,新疆 阿勒泰 836000)

1 概 述

近年來,我國已建或在建許多超高拱壩。在拱壩施工過程中,隨著大壩澆筑高度和合龍灌漿的增加,大壩將逐漸形成一個(gè)整體[1]。在此過程中,由于汛期的護(hù)堤作用,河道兩側(cè)的引水隧洞處于長時(shí)間使用中,故不會(huì)有水流進(jìn)入壩前基坑。因此,壩前未采取擋水措施。但隨著壩高的增加和截流灌漿的逐步完成,大壩將整體懸挑。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),當(dāng)拱壩的懸挑不能得到適當(dāng)控制時(shí),可能會(huì)在壩肩、壩趾和兩岸壩腳處產(chǎn)生過大的應(yīng)力,從而產(chǎn)生裂縫[2]。此外,隨著壩體高程的升高,廊道頂板和底板的拉應(yīng)力在重力荷載作用下會(huì)增加,將增加廊道頂板的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

為了有效控制上述問題,需要通過提前對(duì)基坑進(jìn)行充水來解決或緩解,不僅可以緩解拱壩的懸挑,而且可以有效提高壩基廊道的應(yīng)力水平,提高基礎(chǔ)約束區(qū)水庫的水溫,有利于大壩施工和運(yùn)行全過程的安全控制。因此,對(duì)于超高拱壩,有必要在澆筑初期進(jìn)行類似研究,合理優(yōu)化基坑充水的時(shí)機(jī)和高程,為有效控制大壩工作行為和避免可能的開裂風(fēng)險(xiǎn)提供重要支持。

本文以某拱壩為例,研究大壩施工過程中基坑充水的時(shí)機(jī)和高程,重點(diǎn)分析拱壩的懸挑和重力作用下壩廊應(yīng)力開裂的風(fēng)險(xiǎn),提出有利于大壩懸挑條件下應(yīng)力狀態(tài)控制的思路和措施,為工程的安全施工提供支持。

2 超高拱壩重力荷載開裂風(fēng)險(xiǎn)分析

某雙曲拱壩屬于300m超高拱壩,最大壩高289m,基礎(chǔ)高程545m,壩體混凝土體積約803×104m3。大壩分為31個(gè)壩段,大壩兩側(cè)不對(duì)稱布置。

2.1 重力荷載作用下大壩懸挑風(fēng)險(xiǎn)分析

為了反映大壩懸挑的風(fēng)險(xiǎn),采用大壩施工過程模擬方法,模擬大壩重力荷載在全過程中的疊加過程,分析大壩重力荷載作用下懸挑應(yīng)力的基本規(guī)律和變化趨勢(shì)[3]。在計(jì)算中,只考慮重力荷載,沒有考慮溫度、水壓和蠕變等其他荷載,總體計(jì)算模型見圖1。

圖1 總體計(jì)算模型

灌漿根據(jù)大壩實(shí)際的合龍灌漿進(jìn)度進(jìn)行。從圖2可以看出,在壩前不擋水的前提下,重力荷載引起的懸挑應(yīng)力主要分布在下游表面的左右岸和河床的擴(kuò)展基礎(chǔ)區(qū)域,這也是拱壩施工過程中需要注意的兩個(gè)區(qū)域。隨著壩高的增加,大壩下游面左右岸的拉應(yīng)力越來越明顯。截至2022年6月底,大壩最大高度約150m。如果上游沒有蓄水,局部可能出現(xiàn)約0.6～0.8 MPa的拉應(yīng)力,下游擴(kuò)展基礎(chǔ)區(qū)域可能出現(xiàn)約0.8～1.0 MPa的垂直拉應(yīng)力,且該拉應(yīng)力將隨著壩高的增加而逐漸增加。

圖2 大壩懸挑影響分析

2.2 大壩重力荷載作用下廊道開裂風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)孔洞理論,當(dāng)理論上在沒有孔洞的大壩內(nèi)部產(chǎn)生1MPa的垂直壓應(yīng)力時(shí),走廊頂部(A點(diǎn))將產(chǎn)生1MPa拉應(yīng)力;當(dāng)沿河產(chǎn)生1MPa的拉應(yīng)力時(shí),孔頂區(qū)沿河拉應(yīng)力(σy、σx、τxy)將達(dá)到3MPa,在孔邊緣表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中。

對(duì)大壩廊道區(qū)域的應(yīng)力過程進(jìn)行分析可以看出,隨著壩高的增加,廊道區(qū)域特別是灌漿廊道上的壓應(yīng)力一直在增加(表明廊道頂部和底部的拉應(yīng)力一直增加),而沿江應(yīng)力在冷卻階段呈現(xiàn)出一定的拉應(yīng)力,在溫度上升的作用下轉(zhuǎn)化為較小的壓應(yīng)力,并保持相對(duì)穩(wěn)定。直到大壩被水堵住,才反映為隨著水位的增加而產(chǎn)生更大的壓應(yīng)力?？梢钥闯?在筑壩之前,內(nèi)部走廊的拉應(yīng)力水平將一直處于增加的狀態(tài)[4]。

3 不同蓄水高度對(duì)大壩應(yīng)力狀態(tài)的影響分析

一般來說,為了有效減少大壩整體上升和懸挑對(duì)下游表面和廊道區(qū)域造成的不利拉應(yīng)力,通常采用壩前蓄水來緩解[5]。但時(shí)間和高程需要復(fù)核分析,因?yàn)檫@種壩前擋水方案既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)主要包括:①可以緩解大壩懸挑造成的不利影響;②可以增加沿河的推力,從而降低走廊破裂的風(fēng)險(xiǎn)。缺點(diǎn)主要包括:①應(yīng)注意減小橫向接縫孔徑,從而影響橫向接縫灌漿;②上游水壓在壩踵處產(chǎn)生拉應(yīng)力。

不同大壩填筑高度對(duì)橫向接縫孔徑的影響見表1。從表1可以看出,當(dāng)大壩接縫灌漿高程為574m,上游擋水水位分別達(dá)到575～600m時(shí),15#-23#橫向接縫均處于受壓狀態(tài)。水位越高,橫向接縫的壓縮越大,最大壓縮為0.11mm。顯然,現(xiàn)階段壩前蓄水對(duì)橫向接縫孔徑有影響。其主要原因是當(dāng)拱壩高程較低時(shí),拱壩的應(yīng)力主要是沿梁方向的應(yīng)力,而在拱方向的影響并不顯著。

表1 不同蓄水位的橫向接縫壓縮(灌漿高程574m)

由表2可知,大壩灌漿至637m高程后,如果上游基坑注水至630m高程,最大橫向接縫壓縮為0.17 mm?？紤]到本項(xiàng)目的平均最大橫向接縫孔徑約為1.0 mm,這種壓縮對(duì)橫向接縫灌漿的影響仍然可控。當(dāng)水位達(dá)到660m時(shí),橫向接縫的壓縮將接近0.5mm,將影響橫向接縫灌漿。因此,如果蓄水位達(dá)到660m,壩前灌漿高程需要超過660m,否則可能會(huì)影響橫向接縫灌漿。

表2 不同充水水平下的橫向接縫壓縮(灌漿高程637m)

從圖3可以看出,當(dāng)大壩上游開始蓄水時(shí),壩體廊道中的沿江壓應(yīng)力水平明顯提高。沿江壓應(yīng)力的提高將有效降低重力荷載引起的廊道頂板和底板的應(yīng)力水平,整體上改善走廊區(qū)域的應(yīng)力分布,降低走廊區(qū)域的開裂風(fēng)險(xiǎn)。壩前擋水將明顯改善上游廊道的應(yīng)力,有利于改善廊道區(qū)域的應(yīng)力。因此,在條件允許的情況下,應(yīng)盡快進(jìn)行注水,水位越高,對(duì)廊道區(qū)的應(yīng)力改善就越有利。因此,應(yīng)綜合考慮大壩的橫向接縫灌漿和廊道內(nèi)的應(yīng)力[6]。

圖3 壩廊區(qū)不同水位應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

1)拱壩重力荷載引起的不利拉應(yīng)力主要集中在壩體下游表面,包括左右岸、下游擴(kuò)基區(qū)和底部高程走廊區(qū)。在純重力荷載作用下,大壩下游表面左右岸逐漸產(chǎn)生明顯的拉應(yīng)力,這將增加下游表面開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2)當(dāng)大壩蓄水高程低于630m時(shí),對(duì)橫縫孔徑的影響有限,橫縫壓縮量小于0.2mm。在正常橫縫孔徑前提下,考慮該壓縫因素后,橫縫孔徑在0.5mm以上,不會(huì)影響橫縫灌漿。

3)合理控制基坑充水水位高程,有利于改善大壩下游表面應(yīng)力和廊道區(qū)應(yīng)力。如果水位過高,會(huì)影響橫向接縫灌漿,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理控制。