李 莎，羅代明

（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州貴陽 550002）

1 前言

1.1 工程概況

格八水庫建成于1974年，設計正常蓄水位1 155.93 m、死水位1 139.20 m，總庫容1 000 萬m3，屬中型水庫工程，主要任務是灌溉、發(fā)電、防洪。水庫樞紐工程由攔河壩、壩頂溢洪道、引水發(fā)電及灌溉系統(tǒng)組成。大壩為漿砌石單曲拱壩，最大壩高31.1 m，壩頂弧線長113 m，壩頂寬2 m，底厚12 m。溢流表孔位于壩頂中部，溢流前緣凈寬30 m，設6孔5 m×3.8 m平板鋼閘門，跌流消能。

2007年對大壩進行安全鑒定，存在的主要問題之一是原有泄洪能力不足，使壩高不能滿足防洪標準要求；溢洪道堰型不合理，宣泄較大流量時堰面真空度較高，導致壩體震動。因此，確定對大壩進行除險加固。

1.2 加固設計及主要問題

加固設計中，為解決泄洪能力不足和泄洪時壩體振動問題，經多方案比較，最經濟的方法是加高大壩，即在原壩頂以上加高1.2 m，同時局部改造溢洪道和進行壩體壩基防滲灌漿處理。大壩加高方式采用后幫整體式，也就是在老壩體下游全面加厚，從壩基面開始加厚新壩體至壩頂部，以滿足壩體的應力和穩(wěn)定要求；結合溢洪道改造，壩體加厚材料采用C15 混凝土。新老壩體結合面采用人工鑿毛處理、增設砂漿錨桿、接縫灌漿等，以保證加厚混凝土與原壩體結合良好。加固設計橫剖面，如圖1所示。

基于拱壩的特殊性，采用后幫整體式加厚加高拱壩，最主要的問題是新老壩體能否形成整體聯(lián)合受力，新舊壩體不同材料、不同施工時機對拱壩應力的影響，新混凝土水化熱對老壩體溫度應力的影響，新老壩體結合面應力狀態(tài)及其相應處理措施等。這些問題如果處理不好，將使加固工程失敗，留下新的不安全隱患。筆者就不同施工期水位，對加固后運行期老壩體應力狀態(tài)、新老壩體結合面應力狀況以及處理方法進行簡要介紹。

圖1 大壩加固設計剖面

2 分析手段與模型

加固方案擬定后，首先面臨的是對壩體應力狀態(tài)的分析，必須準確了解老壩體加固后的應力狀態(tài)和應力變化情況。由于本工程壩型為相對復雜的拱壩，老壩體的材料是水泥砂漿砌塊石，應工期要求新壩體采用C15 常態(tài)混凝土，兩種材料的力學特性差異較大，傳統(tǒng)的結構力學計算手段已不能適用。另外，本工程屬加固性質，如果為使施工期不影響水庫正常功能的發(fā)揮，即施工時水庫正常蓄水，原壩體將處于變形狀態(tài)；施工完畢后，運行期水庫水位回落，老壩體變形回彈又會受到新壩體約束。這些都將會造成老壩體的應力惡化?；谝陨显?，傳統(tǒng)的拱壩計算手段已不再適用，以有限元為基礎理論的現(xiàn)代先進計算機模擬計算技術就成了首選。

本工程全部計算均在大型結構分析軟件ADI?NA 平臺上實現(xiàn)。該軟件是基于有限元技術的大型通用仿真平臺，除了能求解線性問題外，還具有分析非線性問題以及求解結構和涉及結構場之外的多場耦合問題。

根據本工程的實際情況，按壩體的實際體型進行建模。采用8節(jié)點6面體等參單元分別對新老壩體及基礎進行有限元離散。三維有限元整體網格模型，如圖2所示。

圖2 壩體三維有限元網格全視

3 老壩體應力狀態(tài)分析

格八水庫的首要任務是灌溉，如果施工期不蓄水，將不能保障來年農田灌溉。但如果施工期不降低水位，又有可能使得加固后運行期的壩體應力惡化。因此，在保證工程安全的前提下，選擇合適的施工期控制水位，就必須要進行大量的計算分析，以便將壩體的應力狀態(tài)控制在允許范圍內。

3.1 計算工況

為了簡化工作，分析計算工況時，僅考慮了施工期可能的兩種極端水位，即正常蓄水位和死水位。分別以這兩種水位為施工期控制水位。加固完成后，水庫運行期也考慮正常蓄水位與死水位，相互組合形成4種控制性計算情況。

（1）在正常蓄水位下加固，運行期壩體在正常蓄水位與溫降條件下的運行工況。

（2）在正常蓄水位下加固，運行期水庫水位由正常蓄水位回退到死水位時，壩體在死水位與溫降條件下的運行工況。

（3）在死水位下加固，運行期壩體在正常蓄水位與溫降條件下的運行工況。

（4）在死水位下加固，運行期水庫水位由正常蓄水位回退到死水位時，壩體在死水位與溫降條件下的運行工況。

計算中按照壩體穩(wěn)定溫度場施加溫度荷載，其他荷載計算均遵循常規(guī)方法?？紤]結合面為剛性連接，不產生有害相對位移。

3.2 計算成果分析

（1）在正常蓄水位下加固，運行在正常蓄水位。計算結果顯示加固后老壩體上游面的應力分布規(guī)律與加固前大致相似，但極值發(fā)生變化，第一主應力大部分為壓應力，最大壓應力發(fā)生在1 137.43 m高程，為0.160 MPa，受拉區(qū)主要分布在左、右兩壩肩區(qū)域，最大值為1.450 MPa。第三主應力基本為壓應力，最大壓應力出現(xiàn)在壩踵處，為1.430 MPa，受拉區(qū)域主要分布在左、右兩壩肩處，應力值不大，最大值為0.406 MPa。

加固后老壩體下游面第一主應力全為拉應力，最大值為1.340 MPa，大于加固前的1.07 MPa，約上升25%。第三主應力基本為壓應力，最大值為2.370 MPa，小于加固前的3.410 MPa，約下降30%，出現(xiàn)高程相同。

（2）在正常蓄水位下加固，運行水位由正常蓄水位回退至死水位。水位回落至死水位后，上游壩面第一主應力中，最大壓應力值為0.159 MPa，小于加固前上游壩面相應應力值，約下降50%。最大拉應力值為1.211 MPa，大于加固前上游壩面最大拉應力值，約上升25%。

加固后壩體下游面第一主應力全為拉應力，最大值為1.481 MPa，大于加固前的1.063 MPa，約上升40%，出現(xiàn)高程也比加固前高。第三主應力基本為受壓，最大值為1.730 MPa，小于加固前的2.314 MPa，約下降25%，出現(xiàn)高程相同。

（3）在死水位下加固，在正常蓄水位下運行。在死水位施工條件下，正常蓄水位下運行，老壩體上游面的應力分布規(guī)律與正常蓄水位施工條件下壩體上游面應力分布規(guī)律相似，但應力極值不同。

老壩體上游壩面第一主應力基本為壓應力，最大壓應力發(fā)生在1 132.43 m 高程，為0.294 MPa，受拉區(qū)主要分布在左、右兩壩肩區(qū)域，最大值為1.271 MPa。第三主應力基本為壓應力，最大壓應力出現(xiàn)在1 124.83 m 壩踵處，為1.412 MPa，受拉區(qū)域主要分布在左、右兩壩肩處，但應力值不大，最大值為0.192 MPa。

加固后壩體下游面第一主應力全為拉應力，最大值為1.457 MPa，大于加固前的1.070 MPa，約上升36%，出現(xiàn)高程也比加固前高。第三主應力基本為受壓，最大值為2.470 MPa，小于加固前的3.410 MPa，約下降27%，出現(xiàn)高程相同。

（4）在死水位下加固，運行水位由正常蓄水位回退至死水位。這種情況下老壩體上游面的應力分布規(guī)律與前述第（2）種情況壩體上游面應力規(guī)律大致相似，但極值發(fā)生變化。

老壩體上游壩面第一主應力基本為壓應力，最大壓應力發(fā)生在1 132.43 m高程處，為0.325 MPa，受拉區(qū)主要分布在左、右兩壩肩區(qū)域，最大值為1.213 MPa。第三主應力基本為壓應力，最大壓應力出現(xiàn)在1 124.83 m壩踵處，為1.179 MPa，小于正常蓄水位施工條件，約下降17%，受拉區(qū)域主要分布在左、右兩壩肩處，應力值不大，最大值僅為0.056 MPa。

加固后壩體下游面第一主應力全為拉應力，最大值為1.471 MPa，大于加固前的1.063 MPa，約上升39%，出現(xiàn)高程也比加固前高。第三主應力基本為受壓，最大值為1.840 MPa，小于加固前的2.314 MPa，約下降22%，出現(xiàn)高程相同。

總之，與正常蓄水位條件下加固施工相比，死水位條件下施工，上下游面主應力分布規(guī)律大致相似，上游面各高程上的第一、三主應力值均比正常蓄水位施工條件下相應值要小。而下游面上，死水位施工條件下的第一主應力值比正常蓄水位施工條件下相應值略大，但拉應力分布范圍更小，第三主應力值略小。

4 新老壩體結合面應力狀態(tài)及處理措施

在拱壩設計中，完建后的壩體中部應力狀態(tài)，不是設計者關注的重點。但對于后幫整體式加固的格八水庫大壩來說，特別是新老壩體采用了不同特性的材料，其受力特征不同，加固后需要達到聯(lián)合受力的狀態(tài)，就必須要對結合面進行適當?shù)奶幚?。因此，結合面的應力狀態(tài)就成為加固工程的重點分析內容，特別是結合面上的正應力和剪應力直接影響著處理措施方案。結合面上的應力計算，其手段和工況與前述加固后老壩體應力分析相同。

4.1 結合面法向正應力

在正常蓄水位下加固，運行在正常蓄水位時，壩頂高程以下約1/3 高度區(qū)域為壓應力，最大壓應力為0.137 MPa。壩中部局部有壓應力出現(xiàn)，數(shù)值較小，大部分為拉應力。壩體下部約1/3高度區(qū)域內全為拉應力，數(shù)值有所增大，最大拉應力為0.104 MPa。當庫水位回退到死水位運行時，只在壩體中部以上靠近壩肩處以及壩頂處有局部壓應力出現(xiàn)，數(shù)值不大，整個斷面上基本為拉應力，隨著高程降低，拉應力逐步增大，最大拉應力出現(xiàn)在壩底部，為0.132 MPa。

在死水位下加固、正常蓄水位運行時，整個斷面上基本為壓應力，最大值為0.144 MPa，在壩頂中部及起拱高程處有局部拉應力出現(xiàn)，拉應力數(shù)值很小，最大值僅為0.092 MPa。當水庫水位回退到死水位運行時，斷面的中部為壓應力，在左右兩端為拉應力，最大壓應力出現(xiàn)在壩頂，為0.242 MPa。隨著高程減小，左、右壩肩處拉應力值逐漸增大，最大值出現(xiàn)在壩底高程處，為0.122 MPa。

法向拉應力對結合面的法向位移影響較大，新老壩體要作為整體承載，應保證結合面完整不開裂。由以上分析看出，對比結合面法向拉應力，死水位加高方案更為合理。

4.2 結合面剪應力

結合面剪應力有橫向剪應力和豎向剪應力。前述4 種情況下的剪應力有較大的變化，但絕對數(shù)值不高。

在正常蓄水位下加固、運行在正常蓄水位時，接觸面橫向最大剪應力發(fā)生在約1/3 壩高處，為0.243 MPa。當庫水位回退到死水位運行時，同一位置最大剪應力降為0.149 MPa。

在死水位下加固、運行在正常蓄水位時，接觸面橫向最大剪應力同樣發(fā)生在約1/3 壩高處，為0.394 MPa。當水庫水位回退到死水位運行時，最大橫向剪應力降為0.259 MPa。

豎向剪應力一般是由新壩體自重引起的，當新壩體結構自重過大使得結合面上豎向剪應力值超過抗剪強度時，新老壩體就會沿結合面產生切向錯動。本工程加高幅度不大，僅有1.2 m，計算結果顯示，結合面豎向剪應力數(shù)值較小，最大豎向剪應力為0.07 MPa，對結合面錯動影響不大。其原因在于新壩體結構自重有限，不會因自重產生較大的豎向剪應力，且新壩體是在老壩體的混凝土支墩上修建的，老壩體基礎承擔了部分的自重，導致新壩體結構自重對于結合面的錯動影響較小。

4.3 結合面處理措施

從分析結果可以看出，施工期控制庫水位無論是在正常蓄水位還是在死水位，當施工結束投入運行后，水庫上游水位在各種變化情況下，新老壩體結合面的應力水平均較小。法向拉應力最大值僅為0.132 MPa，最大剪應力為0.394 MPa。新混凝土與老壩體間只要保證接觸面的粗糙和干凈，粘接強度可以滿足要求。

從工程安全角度出發(fā)，設計中選擇了相對安全的死水位作為施工期控制水位；在工程措施上，采用老壩體下游壩面人工鑿毛，并在新老壩體結合面布置Φ20水泥砂漿錨桿（間距1.5 m、根長2.25 m，錨入老壩體1.45 m，錨桿按梅花型布置），對新老壩體結合面作接縫灌漿處理，以保證加厚混凝土與原壩體結合良好。

5 結論

對于拱壩采用整體后幫式加厚加高的加固設計方案來說，完工后的老壩體應力狀態(tài)和新老壩體的結合問題是設計的關鍵之一。經過詳細的老壩體和結合面應力分析后，充分掌握了老壩體和新老壩體結合面的應力狀態(tài)，為采取合理的工程措施提供了充分的依據。經過對老壩體和結合面采取合適的工程措施，加高后新老壩體完全能作為一個整體承受蓄水后所施加的荷載。同時，確立了施工期以死水位為加固施工控制水位是最佳選擇。

實際工程中施工期選擇盡量降低水庫水位和對結合面進行加強鑿毛、增加抗拉（剪）砂漿錨桿以及新壩體設置充分的壩體降溫措施等，順利地完成工程加固任務，解除了水庫的安全險情。水庫于2011年投入運行，目前狀況良好，取得了良好的社會及經濟效益。