香山拱壩除險加固方案及結構安全分析

□楊行運（信陽市水利勘測設計院）

1 基本情況

香山水庫于1969年開工建設，1972年建成使用。壩頂高程168.00m，最大壩高65.50m，防浪墻高1.05m，壩頂長214.0m，寬5.50m，壩軸線處半徑R=172m，最大中心角φ=71°17′12″。大壩原設計為漿砌石重力壩，樁號0+099～0+129間為溢流壩段，當砌筑至113.00m高程時，為節省材料和工程投資，工程技術人員決定將壩型修改為重力拱壩，取消溢流壩段。由于建筑材料奇缺，施工用水泥品牌混雜，當施工至135.00～140.00m高程時，又采用磚灰代替水泥拌漿砌筑，施工質量很差。“75.8”洪水后，對拱壩進行了補強灌漿處理，在壩后坡113.00～135.00m高程間加砌漿砌石配重，在135.00m和113.00m高程處分別設有4.00m和3.15m寬的平臺各1道。又經過幾十年的運行，大壩右壩肩和壩體中部各有3條橫向應力裂縫，縫寬4～6mm，裂縫由壩頂延伸至壩背坡157.00～135.00m高程處，向上游面延伸至160.00m高程處。大壩空隙率大，溶蝕、滲漏嚴重，壩頂裂縫，對水庫安全運行構成一定威脅。

2 除險加固方案

2.1 壩體補強灌漿加固

壩體補強加固灌漿采用滿足大灌入量、漿液具有較高塑性屈服值和高塑性粘度值的灌漿工藝和可控性強的灌漿材料，主要目的是實現在大空隙砌石體中漿液有針對性的擴散。

拱壩壩體灌漿分為3個工作區：①壩頂作業區：布置2排灌漿孔，排距2.0m。上游排為直孔，最大孔深57.50m，終孔孔距為3.00m，鉆孔至廊道頂部；下游排為傾向下游的斜孔，與水平方向夾角85°，最大孔深66.75m，終孔孔距為4.00m，鉆孔底部深入基巖以下1.00m處；②廊道作業區：布置3排灌漿孔，均位于排水孔上游側。1排仰斜孔(仰角50°)、1排水平孔(俯角0°)、1排向下斜孔(俯角60°)。仰斜孔、水平鉆灌孔孔距4.00m，最大孔深10m；下斜孔孔距2.00m，最大孔深13.50m；③壩后作業區：在135.00m高程平臺布設2排灌漿孔，排距3.00m。分別向上、下游傾斜，傾角均為75°，孔距3.0m，最大孔深34.80m。

2.2 面板防滲處理

將136.00m至壩頂168.00m高程間原混凝土防滲面層進行鑿毛并沖洗干凈后，在其表面重新澆筑一層厚600mm的C25鋼筋混凝土防滲面層，加厚的混凝土防滲面層與原壩體采用錨筋固結。

2.3 壩肩繞滲處理

壩肩采用帷幕結合固結灌漿進行處理。沿壩頂作業區2排灌漿孔軸線向兩壩肩各20.00m范圍內布設2排灌漿孔，排距和孔距均為2.00m，鉆灌孔深均為20.00m，分三序孔施灌。

3 拱壩結構安全分析

3.1 應力分析

拱梁分載法是我國應力分析的主要方法。多拱梁應力分析法采用中國水利水電科學研究院編制的五向調整多拱梁法程序ADASO計算。

3.1.1 計算簡圖

拱壩計算平面圖見圖1，多拱梁計算網絡圖見圖2。

3.1.2 計算參數

圖1 拱壩計算平面圖

圖2 多拱梁計算網格圖

考慮以下幾種荷載：a、壩體自重；b、水壓力；c、水重；d、揚壓力；e、沙壓力。不計地震力作用，為簡化計算，暫不考慮浪壓力。設計洪水位166.41m，相應下游水位108.00m；校核洪水位167.50m，相應下游水位108.80m；年平均氣溫27.60℃，一月平均氣溫2.00℃，7月平均氣溫15.20℃；經試驗確定：加固前壩體容重為20.5kN/m3，加固后壩體容重為22.0kN/m3。淤沙高程114.00m，淤沙浮容重7.00kN/m3，內摩擦角12°；砌體彈性模量 5.00GPa，熱脹系數 0.50×10-5/℃；基巖彈性模量：20.00Gpa。

3.1.3 計算工況

工況1：設計洪水位+溫升，壩體容重γ＝20.50kN/m3；工況2：校核洪水位+溫降，壩體容重γ＝20.50kN/m3；工況3：設計洪水位+溫升，壩體容重γ＝22.00kN/m3；工況4：校核洪水位+溫降，壩體容重γ＝22.00kN/m3。工況1、2為加固前的工況，工況3、4為加固后的工況。

3.1.4 應力計算成果

應力計算成果見表1。

表1 多拱梁應力計算成果表(MPa)

計算成果表明：拱壩總體應力水平較低，最大壓應力1.6MPa，最大拉應力0.7MPa，滿足有關規范對容許壓應力和控制拉應力的要求。拱壩加固前存在的問題不在于計算的應力水平太高，而是壩體質量差，不能承受規范要求達到的0.7MPa的拉應力。拱壩灌漿后自重增加，最大主壓應力稍有增加，最大拉應力變化不大，由于壩體質量差的提高，可以承受0.7MPa的拉應力。

3.2 壩體抗滑穩定分析

3.2.1 計算公式

按照《砌石壩設計規范》中的公式計算壩體抗滑穩定，計算公式如下：

式中：K1—按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；f'—滑裂面上的抗剪斷摩擦系數；c'—滑裂面上的抗剪斷凝聚力，kPa；A—滑裂面面積,m2；N—垂直于滑裂面的法向力，kN；T—沿滑裂面的切向力，kN。

3.2.2 計算參數

考慮如下幾種荷載：a、壩體自重；b、水壓；c、水重；d、沙壓；e、沙重；f、揚壓力。不計地震力作用，為簡化計算，浪壓力忽略不計。

壩體的補強灌漿效果體現在如下幾個方面：①提高了砌石體的容重，經試驗確定，壩體容重由加固前的20.5kN/m3提高到加固后的22.0kN/m3；②恢復了砌體強度，凝聚力c/值由加固前的333kN/m2提高到500kN/m2；③提高了上游壩面和帷幕的防滲性，使揚壓力減少，排水帷幕處的揚壓力折減系數由加固前的0.40減低至0.25；④可提高拱向承載力，從而減少梁向承載力，梁向分載系數可由加固前的0.86減少到0.75。淤沙浮容重取7.0kN/m3，側壓力系數為0.65。加固前（后）的計算參數見表3－2。

表2 除險加固前（后）的計算參數表

3.2.3 計算工況

設計工況：上游設計水位166.41m，下游水位108.00m，淤沙高程114.50m；校核工況：上游校核水位167.50m，下游水位108.80m，淤沙高程114.50m；加固前計算分載系數為0.86時設計、校核工況的穩定安全系數；加固后計算分載系數分別為0.86、0.75時設計、校核工況的穩定安全系數。

3.2.4 穩定計算結果

分別選取102.51～152.50m等16個高程界面處計算出加固前后的安全系數詳見表3。由其設計工況加固前（0.86）、加固后（0.86、0.75）的安全系數繪制出加固前、后安全系數比較圖，見圖3。

表3 各斷面穩定計算剪斷安全系數表

圖3 加固前、后安全系數比較圖

計算結果表明：除險加固前各種工況時沿建基面的抗滑穩定安全系數均＞3.00，滿足《砌石壩設計規范》要求，但是沿壩體內層面的抗滑穩定安全系數(103.10～122.50m高程間)均小于規范要求的校核工況2.50、設計工況3.00的要求，安全系數最小值出現在103.10m的高程處；除險加固后沿建基面及沿砌石層面的抗滑穩定安全系數均大幅度提高，當分載系數分別為0.86、0.75時，安全系數比加固前（梁向分載系數0.86）分別提高0.70、1.20以上，各部位的抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

4 結語

4.1 承受應力能力改善

經計算，加固前最大壓應力1.60MPa，最大拉應力0.70MPa，滿足有關規范對容許壓應力和控制拉應力的要求，但由于壩體質量差，不能承受規范要求達到的0.7MPa的拉應力；除險加固后自重增加，最大主壓應力稍有增加，最大拉應力變化不大，由于壩體質量的提高，完全可以承受0.70MPa的拉應力。

4.2 抗滑穩定系數提高

由于施工質量差、壩體空隙率高，又經過幾十年的溶蝕，砌體的抗剪能力明顯降低。沿壩體內層面的抗滑穩定安全系數嚴重不足（103.10～122.50m高程間）；除險加固后，由于砌體的抗剪強度提高、滲透壓力減少及自重增加，拱的作用也加強了，壩體的抗滑穩定顯著提高，設計工況K1=3.55，校核工況K1=3.35，滿足規范要求。

4.3 加固效果顯著

拱壩除險加固方案經水利部淮河水利委員會淮委規計[2002]453號文批復，2005年9月工程全部實施完畢。經過近9年的觀測：壩肩和壩體中部裂縫消失，壩后大面積明流、廊道下雨現象消失，壩后滲流量迅速減小，滲水量為僅為1.20×10-3L/s，各項指標均達到設計要求，加固效果顯著。