支墩壩加固新技術

[挪威]　T.庫努夫

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支墩壩加固新技術

[挪威]T.庫努夫

摘要：支墩壩建成后，隨著壩體老化，需要開展大量的修復工作。為此，提出了一種支墩壩重建和加固的新方法，而舊壩則可作為新壩澆筑的模板，該技術在挪威獲得專利。實踐證明，當修建新壩是唯一選擇時，該技術經濟合理，且實施時可不放空庫水。介紹了該項新技術在支墩壩和連拱壩修復工程中的應用情況，并從穩定性和投資方面闡述了其優勢。

關鍵詞：支墩壩；連拱壩；重建；修復；壩加固；新技術

近年來，大壩安全標準不斷提高，很多支墩壩已不能滿足現行標準對強度和整體穩定性的要求。因此，需要對目前正在運行的一些支墩壩進行修復，而在某些情況下重建新壩可能是唯一選擇。

最近一種新型專利技術應用于挪威平板支墩壩修復工程中，相比拆除現有壩并重建新壩，可節省投資約40%，修復后大壩的穩定性和安全性都較好。該修復技術特別適用于諸如平板支墩壩和連拱壩等輕型結構的支墩壩。本文主要論述該項技術在支墩壩和連拱壩修復工程中的應用。

即使與重建新壩投資相當，該技術也是優選方案，因為在提高運行安全性方面，支墩壩比其他傳統壩型更具有優勢。

1支墩壩

根據國際大壩委員會的大壩技術詞典，支墩壩分3類，即平板支墩壩(面板壩)、連拱壩以及大頭壩。

支墩壩的特點是上游面防滲，防滲體下游由一系列支墩支撐，支墩將水荷載傳遞給地基。通常支墩沿壩軸線方向等距布置，一般支墩間距5～20 m，取決于壩體大小和設計。由于支墩之間存在敞開部分，支墩壩有時也稱為空心壩。

在美國，平板支墩壩有時也被稱為安布森(Ambursen)式壩，因為這種壩型是美籍挪威裔工程師安布森在美國注冊的專利。在挪威，平板支墩壩也被稱為格羅納(Gr?ner) 壩，是國際大壩委員會前主席C.F 格羅納對安布森式壩的改進型，垂直平板接縫置于平板零力矩點上，可以減少平板中的配筋。得益于這兩位工程師，挪威和美國是世界上擁有平板支墩壩最多的國家，挪威有240座平板支墩壩，其中44座為大型壩。

2挪威支墩壩面臨的挑戰

挪威支墩壩基本上為平板型，僅個別特例除外。多數支墩壩均建于20世紀50、60年代，運行現狀與運行年限、施工質量和運行環境密切相關，影響建筑物現狀的因素主要有凍融、鋼筋腐蝕和骨料堿活性反應，通常也受到這些因素的綜合影響。

另外，建筑物穩定性需要滿足現行安全標準的要求。在挪威，隨著2001年新規范的實施，穩定性標準要求提高(現行支墩壩穩定標準見表1)。新規范也要求對已建大壩進行復核，復核結果表明，很多平板支墩壩不能滿足抗滑(抗傾)要求。

另外，挪威大壩安全局計劃實施一項禁令，將傳統平板支墩壩列為最高危險等級。這項禁令也適用于已建大壩。

表1　挪威平板支墩壩穩定性要求

綜合考慮上述因素，需要加固或修復的平板支墩壩數量較多，有時重建新壩是唯一選擇。

3克洛卡溫壩

克洛卡溫(Krokavatn)壩高19 m，總壩長100 m，主壩長50 m，為平板支墩壩。

大壩為典型挪威平板支墩壩，上游面板與水平面夾角50°，由間隔5 m的8座混凝土支墩支撐，面板頂部厚度0.30 m，底部增至0.80 m。

寬50 m的混凝土溢洪道布置于右壩肩，溢洪道與大壩間壩軸線存在一個拐點。經過多年運行，壩體和溢洪道之間的混凝土墻產生了裂縫，導致滿庫運行時大壩有明顯的滲漏。

克洛卡溫壩重建布置詳見圖1。

圖1　克洛卡溫壩重建布置示意

3.1大壩安全評價

2012年，業主組織了大壩安全評價，對大壩安全性進行了全面評估。

評估結果表明，大壩不滿足現行標準中抗滑和抗傾穩定性要求。由于該壩是高危建筑物，挪威大壩安全局決定拆除重建。

3.2堿骨料反應

大壩安全評價還指出壩體混凝土存在堿骨料反應，通過對大壩的觀測發現，長8.45 m的面板水平伸長了15 mm，伸長率0.18%，由此在鋼筋混凝土面板中產生的拉應力為360 N/mm2。而設計鋼筋混凝土面板拉應力極限強度為400 N/mm2，實際拉應力接近屈服強度，因此得出結論，需嚴格限制水庫在最高水位以下2.5 m運行。

3.3重建工作

為了提高大壩安全性，決定采用原支墩墻作為模板，每隔一個空心段澆筑一個新支墩(如圖1所示)。增加的支墩重量將保障壩體穩定性要求。另外，由于堿骨料反應，原有面板承載力不足，必須在原有面板上澆筑新混凝土面板。

重建后，原有壩體僅僅成為新壩的外殼，對新壩的穩定性和強度不起任何作用。

迄今為止，在幾個方案中，支墩壩重建是最經濟的方案，如表2所示。由于該項目為試點項目，重建技術在挪威申請了專利。

3.4穩定性評價

壩體穩定性計算表明，表2中的重建支墩壩方案穩定性最好，主要是因為新支墩和新面板自身重量增加了壩體穩定性。重建前后穩定性比較見圖2和圖3。

表2　不同壩型投資估算(1挪威克朗=6.43美元)

圖2　設計洪水高于正常蓄水位0.5 m時新老壩體穩定性比較

圖3　設計冰荷載條件下(100 kN/m)新老壩體穩定性比較

穩定性計算表明，新壩的穩定性良好(安全系數大于2)，遠超挪威規范規定，抗滑穩定安全系數比現有壩體高出1。

簡而言之，新壩是平板支墩壩和大頭壩的結合體，作用在傾斜面板上的靜水壓力由大量的支墩支撐，再加上孔隙水壓力的降低，壩體結構非常穩定。

3.5施工進展

如前所述，由于堿骨料反應，2012年大壩安全評估要求水庫嚴格控制在正常蓄水位以下2.5 m運行，因此大壩業主希望盡快重建。

許鈞結合自己的翻譯活動實踐，動態地考察了翻譯活動的各個層面，他認為“翻譯活動是翻譯主體在一定歷史條件下和文化背景中通過具體的語言轉換而進行的一種目的十分明確的實踐活動”。[2]“不同的歷史時期，出于不同的動機，對作品的選擇也就不同?！盵3]他本人的翻譯活動也隨時代發展從純粹的“語言轉換觀”變為“文化交流觀”，《不能承受的生命之輕》等在中國的翻譯與出版，便是一個充分的例證。

由于壩址位于山區，冬季交通中斷，因此施工只能在6～10月開展。2014年夏季，完成了7 000 m的施工道路和上游面板的澆筑。新支墩將在2015年夏季完工。

圖4　下游新建面板方案

4加固平板支墩壩的其他方法

可以對克洛卡溫壩的加固措施加以改進，以應用于其他平板支墩壩。

4.1下游建新面板(方案A)

加固措施示于圖4，加固過程中不需要將庫水放空，在某些情況下具有非常大的優勢，這一方法可用于穩定性和強度都不滿足要求的支墩壩加固。

圖4中，D-D是新支墩橫剖面圖，在原面板下游進行新混凝土面板的澆筑。C-C為施工縫布置圖，表明新支墩和新混凝土面板的結合方式，新支墩的澆筑可在切斷原支墩之前完成。

4.2新建支墩(方案B)

此方案詳見圖5，建新支墩無需降低庫水位，可用于穩定性不滿足要求的支墩壩。

圖5　新建支墩方案

圖5中，H-H是新支墩橫剖面圖，無需新建混凝土面板。G-G是必要時對面板進行加固的平面布置圖，為加強混凝土面板穩定性，可在面板后安裝一系列支撐梁。在上游面板沒有大的破損或滲漏且仍可起到上游面防滲作用的情況下，常采用這一方案。

5連拱壩的加固

連拱壩通常比平板支墩壩高，由于拱的跨度比平板大，支墩間距也大，因此作用在壩體內與建基面上的應力比平板支墩壩要大得多。對某些老支墩壩的有限元分析表明，壩體內有應力異常區分布。

下列實例表明，克洛卡溫壩的加固技術也能運用到連拱壩中。

5.1重建大頭壩(方案C)

連拱壩重建包括新建支墩和混凝土面板兩部分內容：新支墩澆筑在原支墩間的空心段，每隔一空心段澆筑一新支墩；在連拱壩混凝土面板上游澆筑新混凝土面板，其設計如大頭壩的頭部，因此新壩體可以定義為大頭壩，如圖6所示。圖中L-L是新支墩剖面圖，K-K為平面圖。圖中顯示上游混凝土面板厚度恒定，實際厚度隨著大壩高度和水壓而變化。

圖6　重建大頭壩方案

5.2僅重建支墩(方案D)

當上游混凝土面板無損壞可以保證大壩的安全運行而無需重建，且現有支墩安全性不能得到保證而需要加固時，采用這種方法可以提高壩體整體穩定性，如圖7所示，圖中N-N是新建支墩剖面圖，M-M是平面圖。

圖7　僅重建支墩方案

為了防滲需要，可在上游壩面鋪設土工膜，還可在新支墩建成后新建上游面板。

5.3下游面新建拱板(方案E)

該方案不需要放空庫水，在某些情況下具有較大優勢，當穩定性和強度都不滿足要求時采用該方案。

圖8中，P-P是新支墩壩的橫剖面圖，新混凝土拱板澆筑在原拱板下游。O-O所示為如何在新支墩和新混凝土拱板之間設置施工縫，施工順序是先澆筑新支墩，再打穿原支墩，最后澆筑新拱板。

圖8　下游面重建拱板方案

6結語

通過采用支墩壩加固新技術，加固后的壩體具有大頭壩和平板支墩壩的雙重特性。大量的支墩，再加上作用在傾斜面板上的穩定水壓力和減小的孔隙水壓力，使新壩結構非常安全。由于安全等級的提高，即使在重建新壩建安費與之相當的情況下，此方法在平板支墩壩加固中仍可作為首選方案。

目前，該方法正應用于挪威平板支墩壩建設中。主要對示范大壩的安全評價和加固工程進行了介紹，也從穩定性和投資方面闡述了該方法所具有的優勢。

本文還列舉了該技術的幾種不同應用實例，并闡述了在輕型支墩壩和連拱壩中的應用情況。

該技術在挪威獲得專利，并提交了國際專利申請(PCT申請)，獲得國際專利意味著該技術受到世界上許多國家的專利保護。在支墩壩和連拱壩的應用過程中，還有待對該技術進行進一步研究和改進。

王晶馬貴生譯

(編輯：朱曉紅)

收稿日期：2016-01-27

文章編號：1006-0081(2016)06-0021-04

中圖法分類號：TV642.5

文獻標志碼：A

(譯者簡介：王晶，女，深圳市清林徑引水調蓄工程管理處，高級工程師。)