超高拱壩壩前充水方案的選擇與優化

熊 偉

(新疆生產建設兵團第十師水利工程管理服務中心,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整體[1]。在此過程中,由于汛期的護堤作用,河道兩側的引水隧洞處于長時間使用中,故不會有水流進入壩前基坑。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。根據工程實踐經驗,當拱壩的懸挑不能得到適當控制時,可能會在壩肩、壩趾和兩岸壩腳處產生過大的應力,從而產生裂縫[2]。此外,隨著壩體高程的升高,廊道頂板和底板的拉應力在重力荷載作用下會增加,將增加廊道頂板的開裂風險。

為了有效控制上述問題,需要通過提前對基坑進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力水平,提高基礎約束區水庫的水溫,有利于大壩施工和運行全過程的安全控制。因此,對于超高拱壩,有必要在澆筑初期進行類似研究,合理優化基坑充水的時機和高程,為有效控制大壩工作行為和避免可能的開裂風險提供重要支持。

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

2 超高拱壩重力荷載開裂風險分析

某雙曲拱壩屬于300m超高拱壩,最大壩高289m,基礎高程545m,壩體混凝土體積約803×104m3。大壩分為31個壩段,大壩兩側不對稱布置。

2.1 重力荷載作用下大壩懸挑風險分析

為了反映大壩懸挑的風險,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力的基本規律和變化趨勢[3]。在計算中,只考慮重力荷載,沒有考慮溫度、水壓和蠕變等其他荷載,總體計算模型見圖1。

圖1 總體計算模型

灌漿根據大壩實際的合龍灌漿進度進行。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力主要分布在下游表面的左右岸和河床的擴展基礎區域,這也是拱壩施工過程中需要注意的兩個區域。隨著壩高的增加,大壩下游面左右岸的拉應力越來越明顯。截至2022年6月底,大壩最大高度約150m。如果上游沒有蓄水,局部可能出現約0.6～0.8 MPa的拉應力,下游擴展基礎區域可能出現約0.8～1.0 MPa的垂直拉應力,且該拉應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險分析

根據孔洞理論,當理論上在沒有孔洞的大壩內部產生1MPa的垂直壓應力時,走廊頂部(A點)將產生1MPa拉應力;當沿河產生1MPa的拉應力時,孔頂區沿河拉應力(σy、σx、τxy)將達到3MPa,在孔邊緣表現出明顯的應力集中。

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

3 不同蓄水高度對大壩應力狀態的影響分析

一般來說,為了有效減少大壩整體上升和懸挑對下游表面和廊道區域造成的不利拉應力,通常采用壩前蓄水來緩解[5]。但時間和高程需要復核分析,因為這種壩前擋水方案既有優點也有缺點。優點主要包括: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險。缺點主要包括:①應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生拉應力。

不同大壩填筑高度對橫向接縫孔徑的影響見表1。從表1可以看出,當大壩接縫灌漿高程為574m,上游擋水水位分別達到575～600m時,15#-23#橫向接縫均處于受壓狀態。水位越高,橫向接縫的壓縮越大,最大壓縮為0.11mm。顯然,現階段壩前蓄水對橫向接縫孔徑有影響。其主要原因是當拱壩高程較低時,拱壩的應力主要是沿梁方向的應力,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。考慮到本項目的平均最大橫向接縫孔徑約為1.0 mm,這種壓縮對橫向接縫灌漿的影響仍然可控。當水位達到660m時,橫向接縫的壓縮將接近0.5mm,將影響橫向接縫灌漿。因此,如果蓄水位達到660m,壩前灌漿高程需要超過660m,否則可能會影響橫向接縫灌漿。

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,當大壩上游開始蓄水時,壩體廊道中的沿江壓應力水平明顯提高。沿江壓應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力水平,整體上改善走廊區域的應力分布,降低走廊區域的開裂風險。壩前擋水將明顯改善上游廊道的應力,有利于改善廊道區域的應力。因此,在條件允許的情況下,應盡快進行注水,水位越高,對廊道區的應力改善就越有利。因此,應綜合考慮大壩的橫向接縫灌漿和廊道內的應力[6]。

圖3 壩廊區不同水位應力云圖

4 結 論

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

2)當大壩蓄水高程低于630m時,對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力和廊道區應力。如果水位過高,會影響橫向接縫灌漿,應根據實際情況進行合理控制。