吳偉

（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122）

0 引言

碾壓混凝土采用分層澆筑，水平向防滲性能相差較大，是防滲的薄弱環(huán)節(jié)。碾壓混凝土壩壩體防滲一般采用常態(tài)混凝土防滲層、變態(tài)混凝土防滲層的防滲結(jié)構(gòu)，其可靠性至關(guān)重要。施工中，碾壓混凝土層面若存在骨料架空、層面膠結(jié)不良和透水率大等質(zhì)量問題，運(yùn)行中則可能出現(xiàn)壩體混凝土溶蝕、析鈣、壩體滲透壓力升高或混凝土腐蝕等危害，影響結(jié)構(gòu)安全。某工程水庫蓄水后，壩體層面滲透壓力與氣溫相關(guān)性較好，冬季滲透壓力明顯增大，滲壓系數(shù)達(dá)到0.8以上。筆者基于壩體滲壓實(shí)測(cè)值，采用材料力學(xué)法，對(duì)壩體層面抗滑穩(wěn)定進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，為評(píng)價(jià)大壩壩體抗滑穩(wěn)定提供參考依據(jù)。

1 工程概況及壩體防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

某水電站大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高31.5 m，最大壩基寬度28.675 m，壩頂長216 m，分為8個(gè)壩段。上游面直立，防滲層采用0.5 m厚的富膠凝材料變態(tài)混凝土，防滲標(biāo)號(hào)W8，下游面464.20 m高程以上直立，464.20 m高程以下壩坡1∶0.75。壩體典型斷面見圖1。

圖1 壩體典型斷面圖Fig.1 Typicalsection of dam

為增加大壩的抗滑穩(wěn)定性，在大壩下游壩坡與1號(hào)、2號(hào)公路之間的深槽底部3.5 m回填混凝土，其上18.7 m回填碾壓堆石。

1.2 防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上游面防滲層采用0.5 m厚的富膠凝材料變態(tài)混凝土，抗?jié)B標(biāo)號(hào)W8，按常態(tài)混凝土振搗施工。

大壩共分8個(gè)壩段，每個(gè)壩段橫縫設(shè)兩道銅片止水。第一道止水：離上游壩面0.5 cm處至壩基，與庫盆面板接縫的表面止水連接封閉；第二道止水：離上游壩面1.0 m處至壩基，插入齒槽巖體并與庫盆面板接縫的底部銅片止水連接封閉。壩體滲透水通過排水管排入基礎(chǔ)廊道。

2 壩體層面滲壓監(jiān)測(cè)布置

壩體滲透壓力監(jiān)測(cè)設(shè)3個(gè)橫斷面，樁號(hào)分別為大壩0+050.00、0+097.00和0+150.00，每個(gè)斷面分別在447.80 m、455.80 m高程的壩體內(nèi)部二級(jí)配防滲層和三級(jí)配上游側(cè)設(shè)3支滲壓計(jì)。壩體滲壓監(jiān)測(cè)典型斷面布置見圖2。

圖2 壩體滲壓典型斷面布置圖Fig.2 Layout of dam seepage pressure monitoring on typical section

3 層面滲壓分析

3.1 層面滲壓規(guī)律及空間分布分析

水庫蓄水前，壩體滲透壓力很??；水庫蓄水后，滲透壓力與氣溫相關(guān)性較好，冬季滲透壓力明顯增大，表明碾壓層面在冬季張開，夏季閉合。不同壩段的層面滲透壓力差異較大，447.8 m高程壩體滲壓最大水頭為1.0～15.8 m；455.8 m高程壩體滲壓最大水頭為5.6～14.2 m。

圖3 大壩壩體滲透壓力過程線Fig.3 Process curve of seepage pressure in dam body

按DL 5077-1997《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，壩體內(nèi)部排水管處滲透壓力強(qiáng)度系數(shù)α為0.2，大壩壩體排水管布置在距上游壩面3.5 m處，選擇2018年12月20日低溫高水位測(cè)次繪制量值分布圖（見圖4）。由圖4可知：壩體滲壓橫向分布總體呈現(xiàn)從上游向下游遞減趨勢(shì)，經(jīng)排水管折減后，壩體滲壓水頭明顯降低。從碾壓混凝土層面滲壓系數(shù)來看，壩體排水管后滲壓系數(shù)為0.05～0.86，其中455.8 m高程壩體滲壓系數(shù)較大，為0.41～0.86，均超過規(guī)范要求，表明該混凝土層面防滲能力偏弱；447.8 m高程壩體滲壓除6號(hào)壩段Pf-3-3超過規(guī)范要求外，其余壩段滲壓水頭較小，運(yùn)行期后滲壓水頭總體穩(wěn)定。

3.2 與上游水位相關(guān)性分析

為定性考察壩體層面滲壓與上游水位的相關(guān)關(guān)系，選擇2016年5月20～21日作為典型日，對(duì)壩體滲壓計(jì)和庫水位每小時(shí)觀測(cè)1次，持續(xù)觀測(cè)2 d，以對(duì)比分析壩體滲壓與庫水位的關(guān)系。壩體滲壓與庫水位的日變化過程線見圖5，據(jù)此可知：2號(hào)壩段455.8 m高程滲壓計(jì)Pf-1-7和Pf-1-8受庫水位影響較明顯，且有一定的滯后性；滲壓計(jì)Pf-1-9（距上游面5.5 m）基本不受庫水位波動(dòng)影響。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)檢查

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)大壩下游面常年處于干燥狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)明顯壩體析鈣現(xiàn)象，壩體排水孔大多數(shù)無水，部分呈滴水狀態(tài)，壩體、壩基總滲漏量最大僅為1.24 L/s。

4 壩體抗滑穩(wěn)定復(fù)核

考慮到壩后填筑至456.00 m高程，增加了大壩456.00 m高程以下層面的抗滑穩(wěn)定性，且壩體447.8 m層面滲壓基本在設(shè)計(jì)值以內(nèi)，故選擇壩體滲透壓力較大的455.8 m高程進(jìn)行抗滑穩(wěn)定復(fù)核。

圖4 大壩壩體滲壓系數(shù)橫向分布圖Fig.4 Transverse distribution of seepage pressure coefficient in dam body

圖5 壩體滲壓與庫水位日變化過程線Fig.5 Variation of dam seepage pressure and reservoir water level

4.1 計(jì)算基本資料

工程為一等大（1）型工程，大壩按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，采用材料力學(xué)法，在考慮荷載基本組合的情況下，對(duì)大壩6號(hào)擋水壩段典型剖面沿455.8 m高程進(jìn)行大壩靜力條件計(jì)算分析。大壩壩體斷面按常規(guī)重力壩設(shè)計(jì)，上游面直立，下游面464.20 m高程以上直立，464.20 m高程以下壩坡1∶0.75。

考慮主排水孔作用，壩體滲透壓力、揚(yáng)壓力在主排水孔處折減，按DL 5077-1997《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》，壩體內(nèi)部排水管處滲透壓力強(qiáng)度系數(shù)α為0.2。按照現(xiàn)行業(yè)規(guī)范NB/T 35026-2014《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行復(fù)核，計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖6。

圖6 計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.6 Calculation diagram

4.2 水位條件

大壩壩體穩(wěn)定計(jì)算取正常蓄水位471.50 m、校核洪水位472.11 m兩種水位，混凝土容重取2.4 t/m3。取2018年12月20日低溫高水位工況，通過滲壓計(jì)實(shí)測(cè)水頭計(jì)算揚(yáng)壓力。

4.3 計(jì)算參數(shù)

由于缺少壩體層面力學(xué)參數(shù)，壩體混凝土抗剪參數(shù)按壩基選取，f"=0.8，c"=600 kPa，參數(shù)取值偏保守。

根據(jù)NB/T 35026-2014《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，材料性能分項(xiàng)系數(shù)見表1，計(jì)算參數(shù)見表2。

表1 材料分項(xiàng)系數(shù)表Table 1 Material coefficients

表2 計(jì)算參數(shù)表Table 2 Calculation parameters

4.4 主要作用力

4.4.1 壩體自重

式中：γc為混凝土容重，取24 kN/m3；Ar為單寬剖面層面面積，m2。

以6號(hào)壩段為例：W=（W1+W2）γc=173.96×24=4175.04 kN/m。

4.4.2 揚(yáng)壓力

式中：γw為水的容重，取9.81 kN/m3；Au為455.8 m層面的揚(yáng)壓力分布圖形面積。

正常蓄水位工況：U=浮托力+滲透壓力=（0+99.6）×9.81=977.08 kN/m。

校核洪水位工況：由于缺少校核洪水位工況下的實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位，校核洪水位工況下的壩基揚(yáng)壓水位按正常蓄水位工況下的實(shí)測(cè)滲壓系數(shù)推算，U=浮托力+滲透壓力=（0+107.5）×9.81=1054.56 kN/m。

正常蓄水位+揚(yáng)壓力全水頭工況：U=浮托力+滲透壓力=（0+131.6）×9.81=1290.6 kN/m。

4.4.3 靜水壓力

上游靜水壓力：Ps=0.5γwH2=0.5×9.81×16.312=1303.48 kN/m；下游靜水壓力：Px=0 kN/m。

4.5 計(jì)算結(jié)果

基本組合承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式為：

計(jì)算結(jié)果見表3。由表3可知，壩體層面抗滑穩(wěn)定滿足要求。

表3 大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果匯總表Table 3 Calculation results of anti-sliding stability of dam

5 結(jié)語

通過壩體抗滑穩(wěn)定復(fù)核可知，雖然該工程壩體滲透壓力較大，且已遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值，但由于壩高較低，壩體所承受的荷載較小，壩體沿層面的抗滑穩(wěn)定富裕度較高。一般來說，對(duì)于同等壩高、壩體滲壓較高的類似工程，壩體沿層面是穩(wěn)定的，但在長期運(yùn)行中，需關(guān)注壩體滲壓對(duì)混凝土防滲結(jié)構(gòu)耐久性的影響，如壩體溶蝕、析鈣、混凝土腐蝕等。