復(fù)雜地質(zhì)條件下東莊特高拱壩壩趾加固措施研究

聶章博 楊軍義 王惠芹

摘 要：特高拱壩的起裂、屈服和失穩(wěn)破壞等主要來源于拱壩壩踵和壩趾等應(yīng)力集中區(qū)域，尤其是壩趾處可能發(fā)生壓剪損傷，該部位巖體穩(wěn)定和基礎(chǔ)加固決定著拱壩的安全度。基于東莊水利樞紐工程特高拱壩，結(jié)合基于變形加固理論的三維彈塑性有限元整體變形分析成果與地質(zhì)力學(xué)模型試驗成果，提出了東莊水利樞紐工程特高拱壩壩趾加固設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜地質(zhì)；變形加固；拱壩壩趾；加固措施

中圖分類號：ＴＶ２２３ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０５．０２５

引用格式：聶章博，楊軍義，王惠芹．復(fù)雜地質(zhì)條件下東莊特高拱壩壩趾加固措施研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（５）：１５３－１５７．

拱壩因其超載能力強、工程量較同等規(guī)模的重力壩小，已經(jīng)被越來越多的大型水利工程所采用。我國西部已建造或正在建造的特高拱壩有二灘、小灣、構(gòu)皮灘、溪洛渡、白鶴灘、拉西瓦、烏東德、東莊等。拱壩對壩址區(qū)地形地質(zhì)條件要求較高，拱壩壩肩巖體穩(wěn)定性是拱壩安全的首要問題。特高拱壩承受的水荷載巨大，壩址區(qū)巖體地質(zhì)條件復(fù)雜，拱端下游壩趾區(qū)受荷載作用應(yīng)力梯度較大，壓應(yīng)力與剪應(yīng)力疊加，局部集中應(yīng)力可能超過巖體的強度，發(fā)生壓剪損傷破壞，因此對拱壩壩趾基礎(chǔ)巖體進行必要的加固處理，保證拱壩運行期正常工作狀態(tài)是混凝土拱壩工程設(shè)計的重難點。楊強等［１－２］ 提出了變形加固理論，建立了高拱壩超載系數(shù)與塑性余能的關(guān)系曲線，提出了高拱壩整體穩(wěn)定性評價和壩基結(jié)構(gòu)加固的理論架構(gòu)，并將該理論應(yīng)用于小灣特高拱壩的壩趾區(qū)錨索加固設(shè)計［３］ 。程立［４］ 將特高拱壩變形的關(guān)鍵問題統(tǒng)一到不平衡力框架中，將不平衡力、塑性余能范數(shù)分別作為結(jié)構(gòu)局部和整體的損傷開裂評價指標，提出了特高拱壩穩(wěn)定與控制的典型特征。唐忠敏等［５］ 針對錦屏一級高拱壩研究設(shè)計了壩趾加固方案，監(jiān)測資料表明大壩工作狀態(tài)良好，壩趾加固措施合理有效。趙艷等［６］ 基于變形加固理論進行溪洛渡特高拱壩壩趾區(qū)錨索加固設(shè)計。官福海等［７］ 對白鶴灘拱壩壩趾基礎(chǔ)進行錨固設(shè)計。

筆者針對東莊水利樞紐工程，研究特高拱壩壩趾基礎(chǔ)破壞和加固機理，結(jié)合拱壩三維非線性有限元數(shù)值分析及地質(zhì)力學(xué)模型試驗成果，分析正常工況下拱壩位移應(yīng)力分布情況以及超載下拱壩壩基屈服區(qū)、基礎(chǔ)余能范數(shù)和開裂破壞過程，確定東莊拱壩超載安全度和相應(yīng)的不平衡力，進行拱壩壩趾區(qū)基礎(chǔ)加固設(shè)計。

１ 概述

１．１ 工程概況

東莊水利樞紐工程位于陜西省涇河下游峽谷出口以上河段，是渭河下游河防工程體系中不可缺少的重要骨干工程，是黃河水沙調(diào)控體系的重要支流水庫。東莊水利樞紐工程的開發(fā)任務(wù)以防洪減淤為主，兼顧供水、發(fā)電和改善生態(tài)環(huán)境等綜合利用。東莊水利樞紐工程屬于Ⅰ等大（１）型工程，樞紐建筑物包括混凝土雙曲拱壩、壩身排沙泄洪孔、水墊塘及二道壩、左岸邊發(fā)電、排沙及供水聯(lián)合進水口、發(fā)電引水洞、地下廠房和庫區(qū)防滲工程等，總庫容３２．７６ 億ｍ３，電站裝機規(guī)模１１０ ＭＷ。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程８０４ ｍ，最大壩高２３０ ｍ，正常蓄水位７８９ ｍ 下壩體承受總水推力約５ ４５０ ＭＮ。東莊水庫建成后，與堤防工程相結(jié)合，通過水庫蓄洪削峰運用或蓄洪錯峰運用，將涇河下游防洪標準從１０ ａ 一遇提高至２０ ａ 一遇，將涇河來水為主和涇渭河同時來水的１００ ａ 一遇洪水削減至５０ ａ 一遇以下，確保渭河下游干流大堤保護區(qū)防洪安全，同時減少渭河和黃河泥沙淤積。