大坂水庫大壩設(shè)計與應(yīng)力復(fù)核

大坂水庫大壩設(shè)計與應(yīng)力復(fù)核

1大壩分層界面位移大坂水庫位于漳平市永福市，新安溪市。這是一個集能源和灌溉于一體的小型節(jié)水項目。壩址控制流域面積93km2,水庫總庫容1462萬m3,興利庫容1120萬m3,死庫容130萬m3。水庫正常蓄水位518.00m,P=2%設(shè)計洪水位520.95m,P=0.2%校核洪水位522.26m。大壩為100#漿砌塊石單心圓雙曲拱壩,最大壩高62.4m。壩址兩岸基巖裸露,出露巖性主要為燕山早期的黑云母花崗巖,次為喜山期的石英斑巖。壩址區(qū)主要存在一條陡傾角F2斷層和一條f1裂隙性斷層。該大壩于1985年5月開工興建,1989年5月水庫開始蓄水,1989年9月封頂。建成后歷史最高水位為519.99m(1996年8月1日),歷史最低水位約為479.00m(1998年12月)。2001年12月,水庫水位降至480.50m后,檢查中發(fā)現(xiàn)左岸上、下游面及壩頂均可見一條沿徑向的貫穿性1#垂直裂縫,長約20m,寬約1mm～2mm,裂縫經(jīng)過處部分壩面混凝土預(yù)制塊拉裂。另外在壩頂還發(fā)現(xiàn)11條小裂縫,左岸7條,右岸4條,長度小于1m,縫寬均在1mm以內(nèi),且均未向下發(fā)展。裂縫位置示意圖見圖1。未發(fā)現(xiàn)水平裂縫。對大壩進(jìn)行水平和垂直位移觀測結(jié)果表明位移量很小,均在規(guī)范控制值范圍內(nèi)。大壩左岸拱端山體穩(wěn)定。2壩體結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分析壩體采用100#細(xì)石混凝土砌塊石,上、下游壩面為100#水泥砂漿漿砌毛條石并深勾縫,施工時中上部壩面采用150#混凝土預(yù)制塊取代條石。壩體基礎(chǔ)采用0.5m厚150#混凝土墊層。砌石壩體不分縫。壩頂外緣弧長128.22m。中間溢流段外緣弧長50.19m。雙曲拱壩基本尺寸見表1。應(yīng)力復(fù)核考慮荷載組合為:①基本荷載組合:正常蓄水位壓力+淤沙壓力+自重+均勻溫降;②基本荷載組合:死水位水壓力+淤沙壓力+自重+均勻溫升;③特殊荷載組合:校核洪水位水壓力+淤沙壓力+自重+均勻溫升;④特殊荷載組合:死水位水壓力+淤沙壓力+自重+均勻溫降。封拱溫度取多年平均氣溫20.3℃,氣溫年升幅7.7℃,年降幅9.7℃。應(yīng)力分析采用全調(diào)整的改進(jìn)多拱梁分載法軟件計算,主應(yīng)力計算成果見表2,典型應(yīng)力等值線見圖2。從應(yīng)力復(fù)核結(jié)果可以看出,工況①、工況②及工況③壩面的主應(yīng)力值基本滿足規(guī)范要求,但特殊荷載組合工況④出現(xiàn)最大拉應(yīng)力超標(biāo)較多,即死水位遇溫降工況,最大拉應(yīng)力達(dá)1.67MPa,出現(xiàn)在左岸壩頂上游拱端。其中1#裂縫處最大拉應(yīng)力計算值約為0.6MPa。3實際封拱溫度大坂水庫拱壩是固接于基巖的整體結(jié)構(gòu),壩身不設(shè)永久性伸縮縫。由應(yīng)力復(fù)核結(jié)果及大壩沒有水平裂縫表明,裂縫不是因為拱壩超載引起的。通過對拱座基巖的詳細(xì)勘察及大壩位移觀測,未發(fā)現(xiàn)基巖有移動和變形跡象,表明裂縫不是由于拱座失穩(wěn)或基巖不均勻沉陷引起的。1#裂縫的發(fā)展方向為規(guī)則的垂直方向,裂縫經(jīng)過處灰縫及壩面石均開裂,表明裂縫不是因壩體施工質(zhì)量引起的。由于1#裂縫產(chǎn)生的時間是冬季枯水期,結(jié)合應(yīng)力計算結(jié)果可以基本斷定開裂是由溫度應(yīng)力造成的。由于大壩上部施工時段為6月～9月,實際封拱平均氣溫達(dá)26.8℃,冬季氣溫驟降后,溫降幅度遠(yuǎn)比計算值9.7℃大,實際溫降應(yīng)力比理論分析值更大。根據(jù)施工實際氣溫情況確定封拱溫度,對死水位遇溫降工況再進(jìn)行應(yīng)力計算。計算結(jié)果左岸上游壩頂拱端拉應(yīng)力高達(dá)2.37MPa,已大大超過材料抗拉極限。其壩體應(yīng)力等值線見圖3。理論分析溫度應(yīng)力最大值位于拱端,而1#裂縫并不在拱端出現(xiàn),而距拱端有一定距離,這是因為拱端處基巖產(chǎn)生變形,使應(yīng)力松馳;同時,在水壓等各種荷載迭加的條件下,實際拉應(yīng)力最大值并不一定發(fā)生在拱端。壩頂拱厚最小,溫降荷載最大,當(dāng)超限拉應(yīng)力出現(xiàn)后,沿拱軸產(chǎn)生的拉力使拱圈自頂向底徑向開裂。另外,砌石拱壩灰縫較多,建成后不可避免地有一個干縮過程。梯形河谷底面與斜坡的交叉點處是干縮量由大變小的界線,其作用類似不均勻沉陷。由于壩址左岸489m高程以下壩基較陡,坡度達(dá)60°～70°,左岸上部相對較緩,坡度約45°～50°,壩基岸坡有突變現(xiàn)象。岸坡的突變使得砌縫干縮量產(chǎn)生較大差異,在頂部相當(dāng)于它們之間界面的投影位置處比較容易形成裂縫。這就是溫降造成的1#豎直裂縫,其位置接近于左岸下部岸坡變化點的原因。根據(jù)上述裂縫成因分析,導(dǎo)致本工程拱壩開裂的主要原因是水庫低水位時的氣溫驟降,因溫度應(yīng)力超負(fù)荷引起的。由于砌石拱壩一般不設(shè)結(jié)構(gòu)縫,多采用均勻上升、層層封拱的施工方法,設(shè)計計算考慮的封拱溫度一般低于多年平均值。夏季施工時,混凝土的入倉溫度及封拱溫度較難控制,造成實際溫降應(yīng)力大大高于計算值。許多經(jīng)歷夏季施工的砌石拱壩在第一個冬季后都有不同程度的開裂。4拱壩裂縫修補(bǔ)本工程拱壩出現(xiàn)較大拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在水庫水位較低時,且主要分布在大壩上部兩岸拱端,一般不致引起較大滲漏。當(dāng)庫水位較高時,在外荷作用下,拱內(nèi)力以壓為主,有的小裂縫還會在水壓力作用下自行閉合。壩體開裂后形成的二次拱也會阻止裂縫的發(fā)展。因此單純由溫度應(yīng)力造成的裂縫危害性并不大。本工程1#裂縫規(guī)模較大,且已形成通縫,為防止拱壩應(yīng)力重分配后局部應(yīng)力惡化,出現(xiàn)新的裂縫,必須對1#裂縫進(jìn)行必要的修補(bǔ)。修補(bǔ)時間應(yīng)在冬季氣溫較低時進(jìn)行,否則冬季仍有可能會拉裂張開。修補(bǔ)方法借鑒安徽清風(fēng)巖水電站拱壩裂縫修補(bǔ)的成功經(jīng)驗,采用先補(bǔ)后灌的施工方法。通過防滲,防止裂縫因射水而擴(kuò)張;通過內(nèi)部補(bǔ)強(qiáng)灌漿,恢復(fù)拱壩拱向承載條件。具體方法簡述如下:先沿裂縫開槽,在開好的槽上騎縫布設(shè)灌漿管,間隔1.0m～1.5m左右。在上游面裂縫中嵌入GBW遇水膨脹橡膠止水條,再用聚合物柔性砂漿將槽封閉,下游槽埋設(shè)灌漿管后,直接用聚合物柔性砂漿封槽。封槽后2d～3d對裂縫進(jìn)行灌漿處理。灌漿水泥漿液中摻入適量微膨脹劑,使?jié){液在硬