水庫新舊壩搭接方式縮尺模型試驗研究

吳 磊 ，張玉燕 ，陳丕華

（1.山東省水利工程管理局，山東 濟南 250014；2.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014）

建國以來，山東省興建了許多水庫，受當時技術條件的限制，經多年運行，水庫老化失修嚴重，許多水庫存在嚴重安全隱患，急需除險加固。其中壩體加高培厚就是除險加固的一種常見方案。但有的施工單位為了省時省力，在新老壩體結合方面往往是采用直接搭接式以及其他不符合規范要求的施工方法，這樣給水庫以后的安全運行埋下了重大隱患。因此，本文通過模型試驗研究不同搭接方式新老壩體結合面滑移規律來驗證正確搭接方式的安全性及可靠性。

1 模型試驗設計

通過搜集大量的資料得知，由于填土彈性模量很小，很難根據彈性模量相似找到替代的材料，所以在堤壩模型試驗中，往往采用原狀土進行試驗，在本模型試驗中，使用實體工程所用的回填料，則重度相似常數Cγ＝1；取幾何相似常數CL＝10；由平衡方程 CγCL/Cσ＝1 推出應力相似比尺Cδ=10；由幾何方程 CLCγ/Cδ=1 推出位移相似比尺Cδ=10；按照幾何相似。壩體加寬示意圖見圖1。

制作步驟：1）基底處理；2）壩體壓實；3）老壩體的制作；4）新舊壩結合方式的制作；5）位移監測點的埋設；6）加高拓寬新壩體；7）壩體浸潤線的形成 （在壩前預留鋼筋網骨架作為進水通道，并保持一定高度水位，使壩體內部形成浸潤線）；8）分析壩體裂縫分布情況，觀測壩體沉陷及側向位移，進行試驗現象分析。

圖1 壩體加寬示意圖

為了確定壩體壓實控制標準，取砂壤土進行了擊實試驗，由擊實試驗測得土體的最優含水量為14%，最大干密度為1.762g/cm3。

2 直接搭接式模型試驗結果分析

2.1 試驗現象分析

如圖2所示，新壩拓寬增高后，在蓄水初期，首先出現壩腳失穩。隨著時間的推移，裂縫逐漸向壩坡中部擴展，現場量測裂縫寬度約3mm，而且壩頂也出現了橫向裂紋。

由圖2可知，壩體拓寬增高后，水庫水位抬高，造成壩體內部浸潤線抬高，強度發生衰減。同時，壩體增高引起地基沉陷增大，發生不均勻沉降，兩者均會造成坡面裂縫的出現及擴展，以致出現壩頂裂縫，壩坡有側向滑移的趨勢。

圖2 直接搭接式壩體拓寬變形及裂紋擴展圖

2.2 新舊壩結合面沉降規律研究

在新老壩體結合處不同位置放置鋼塊，并在鋼化玻璃外用紅色記號筆標記，用于觀測壩體沉降及側向位移。通過觀測新老壩體的結合面及壩坡表面沉陷圖，可知隨著壩前蓄水，壩后坡逐漸發生不均勻沉降，其沉陷規律為壩坡上部沉陷大、下部沉陷小，整體呈拋物線分布規律。同時，分析壩體位移監測點的變化規律，可知新壩體明顯發生下沉和側向滑移，而老壩體則主要發生下沉趨勢，且下沉量明顯小于新壩體。

3 臺階式壩體模型試驗分析

3.1 試驗現象分析

圖3 臺階式壩體拓寬變形及裂紋擴展圖（最終狀態）

如圖3所示，設置臺階后，壩體仍然會不可避免的出現變形及裂縫，但相比較直接搭接式，裂縫寬度及變形量明顯減小。

3.2 新舊壩結合面沉降規律研究

采用臺階式搭接方式，沉陷量較直接搭接式稍小，而側向位移量則明顯減小，這是由于采用臺階式搭接方式時，新舊壩體結合面壓實度能夠得以保證，壓實質量較高，所以新壩體側向滑移的趨勢得以明顯消減。而總沉陷量也會減小是由于老壩體壓實度也得以提高，故將部分施工后沉降轉化為施工期沉降，所以施工后總沉降量降低，對于保證壩體安全有利。

4 實例驗證

本縮尺模型試驗是以太行堤水庫除險加固工程為依托，試驗取土為該實體工程所用土料，太行堤水庫大壩加固采用壩體加高培厚方案，新老壩體搭接方式為臺階式搭接，該工程已于2011年完工，圍壩增高后的運行情況受到了運行管理單位的高度重視，在此運行過程中未見裂縫等異常不良現象，并且發揮了顯著的經濟和社會效益，得到了管理運行單位的充分認可。

5 結語

為了驗證新老壩體搭接方式理論成果的可靠性，設計制作了壩體拓寬增高新舊壩結合方式的縮尺模型試驗。采用直接搭接方式進行拓寬時，由于接觸面位置碾壓質量較難保證，受壩前蓄水的影響，自重作用下造成新壩體沉陷及側向滑移量較大，壩體多處位置出現裂縫。采用開挖臺階進行搭接時，由于可較好地保證接觸面位置的碾壓質量，故該搭接方式可較好的控制工后沉降及側向位移量，對于保證壩體安全非常重要。