大坝垛墙加固方法探析

（1）原设计大坝垛墙结构布置和计算。佛子岭水库拦河坝为钢筋混凝土连拱坝结构，其结构型式前面已经述及，关于垛的计算，限于当时的条件，垛墙分析是用材料力学方法计算的，并分别采用垛、拱为一整体；垛、拱间为光滑接触两种假定。

原设计按垛混凝土的标号确定采用的容许应力，如表2.15所示。

表2.15　垛混凝土的容许应力

考虑到各垛的高度不同，分别对2～5号垛、6～12号垛、13～20号垛，采用了不同的垛墙尺寸，21号垛因下游地形限制，将下游面坡度改为1∶0.25，垛上、下游面的厚度则同6～12号垛。各垛墙不同高程的结构厚度见表2.16和表2.17。

表2.16　原设计佛子岭连拱坝垛墙厚度值　单位：m

续表

注 1.表中各垛由两片垛墙组成。
2.垛内上、下游面板及隔板尺寸见表5.16～5.17。
3.表内所列坝高为原设计洪水位以下的高度，非实际坝高。
4.原坝顶高程为128.46m，防浪墙顶为129.56m。
5.坝上游面坡度为1∶0.9，下游坡度除21号垛为1∶0.25外，其他垛均为1∶0.36。

表2.17　原设计佛子岭连拱坝垛的面板隔墙和拱的厚度值

注 1.垛的下游面板厚度一律为0.600m。
2.上、下游面板和拱的厚度分别按与垛上游面正交方向量取。
3.垛内隔墙（铅直向布置）厚度0.500m，间距6.00m。

原设计进行了自重+水压力（洪水位128.26m，尾水位78.26m）+泥沙压力的基本荷载组合和地震荷载组合（地震加速度为0.1g，库满和库空两种情况）等工况的计算。当时尚无法进行坝体温度变化的应力计算，只考虑了混凝土表面温度变化产生的拉应力，而在垛墙外侧布置了构造钢筋。按材料力学方法，垛拱光滑接触的计算成果见表2.18。表中显示：基本荷载组合下，垛上游面第二主应力均为拉应力，6～12号垛主拉应力为0.41～0.60MPa，最大主压应力为3.51MPa；13号垛以东各垛（垛墙厚度较12号垛以西小5～20cm）上游面主拉应力增大为0.57～0.87MPa，最大主压应力为3.65MPa。由原设计的计算成果可知，在水压力荷载组合下，坝垛上游面就产生了较大的拉应力，尤其是13～20号垛上游面的主拉应力已超过设计的容许应力。

表2.18　原设计各垛材料力学法主应力值（垛拱光滑接触）

注 1.主应力以压为正、拉为负。
2.σ1、σ2分别为第一、第二主应力。
3.地震加速度为0.1g。

“75·8”河南特大洪水发生垮坝事件后，根据防洪要求，1982年，对佛子岭大坝进行第二次加固加高工程，大坝坝顶加高1.5m，最高洪水位提高了1.74m。在加高加固设计中，结合地质条件，重新确定了滑动面的抗剪断强度指标，复核了各垛的滑动稳定，计算表明，13～20号垛不满足抗滑稳定安全要求。同时仍采用材料力学方法以及有限元计算了坝垛的应力，在最高洪水位（130.0m）荷载组合下，材料力学方法计算的13～20号垛的上游面主拉应力为0.91～1.23MPa，较加高前增加0.2～0.4MPa。有限元计算的下部最大主拉应力为1.78MPa。因此，采用在垛内下部回填混凝土和垛头侧墙及上游面坡贴钢筋混凝土板的措施，以增加重量来满足抗滑稳定安全要求，以加厚结构厚度来改善垛头高应力区的受力状态。

大坝加高后，6～12号垛、13～20号垛材料力学方法复核成果见表2.19。

表2.19　大坝加高后垛材料力学法主应力（垛拱光滑接触）

注 应力以压为正、拉为负。

（2）加固方案论证和选择。佛子岭连拱坝建成初期，垛墙已发生多条裂缝，尤其墙体纵缝大都被拉开，特别是水库在低温高水位运行期间，裂缝张开度较大，由于裂缝的切割，破坏了垛墙的整体性，在不利工况荷载的作用下，裂缝的端部形成应力集中，使垛墙裂缝不断发生和扩大。

1993年11月下旬，大坝发生建坝以来的最大位移和沉降，同时坝体裂缝也有所发展，并有多处出现渗水。1994～1996年，在大坝特种安全检查和首次安全定检中，除材料力学计算外，还采用了三维有限元法对13号垛墙应力进行分析，计算中考虑了拱垛联合整体受力，并模拟了垛墙三道纵缝和一条垛头缝（延伸至拱上并和拱筒建筑缝相交）裂开以及坝垛基础地质条件的影响。有限元计算成果中主拉应力如表2.20所示。

表2.20　佛子岭大坝安全复核三维有限元分析A、B、C缝端应力成果

①该荷载组合为：1993年9月22日～11月22日温降荷载。

三维有限元分析表明，由于大坝垛墙受众多裂缝的切割，整体性受到破坏。为此，垛墙加固总的想法是：增强垛的整体性，改善垛墙受力条件，同时，着重加强垛墙上游面的抗拉强度，限制裂缝的发展。

因此，在本次加固方案的拟订过程中，分析了佛子岭连拱坝存在的主要问题，研究了1982年大坝加固的经验，并借鉴国外——美国欢乐湖连拱坝加固所采用的工程措施，他们的做法是：用混凝土回填垛墙的下部空腔；加强上游面板与垛墙的连接，在面板的上游面上设置钢轨构成劲性钢筋，钢轨锚固在垛墙下部大体积混凝土内，然后喷混凝土。为此，考虑了以下三个方案，进行比较选择。

1）在垛墙上游加预应力方案。该方案是在垛墙上游面施加多束预应力锚索，用锚索的预应力来减少垛墙上游面的主拉应力。由于垛墙尺寸比较单薄，且高度较大，在大吨位的压力作用下，对垛墙的侧向稳定和应力均不利。为此须在垛墙上游外侧浇筑1.0m，水平宽度12m的加厚混凝土，使之和原垛墙混凝土连成整体，在新加厚的混凝土内设置多道预应力锚索，锚孔方向近似平行垛墙上游面，锚固端埋在基岩内，锚头设在垛墙顶部的下游面，待新浇筑混凝土达到设计强度后，施加预应力。

该加固方案的优点是施工时不受上游库水位的影响，施加预应力不仅能改善垛墙的受力条件，还增加了垛墙稳定的安全度。其缺点是施加的预应力相对集中，由于垛墙是上小下大的三角形体，在垛墙顶部施加压力，在垛内扩散较快，对中、低部的垛墙拉应力降低并不显著，因此，不宜采用。

2）采用在垛墙内浇筑钢筋混凝土加固方案。由于垛墙内空间尺寸较小，加厚混凝土尺寸受到限制，由于混凝土本身的抗拉强度较低，只有靠配置大量的钢筋来承担垛墙上游面的拉应力。该方案从垛墙内部进行加厚，在垛墙上游一定范围内，从基础连续加厚到一定的高程，上游面板和垛墙一起加厚到相同的厚度。

该方案的优点：混凝土内放置的大量钢筋能直接承担垛墙传来的拉应力，从1982年垛墙加固的实践看，该方案加固措施比较可靠。缺点是施工难度较大，新、老混凝土不易很好结合，尤其是垛墙上部，面板下游为1∶0.9倒坡，更难以结合成整体。

3）采用在垛墙内喷高强钢纤维混凝土加固方案。该方案垛墙和上游面板加厚范围同上方案，只是加厚的材料不同，施工方法不同。采用喷钢纤维混凝土进行加厚，能充分发挥钢纤维混凝土的抗拉性能，以及较好的韧性，可以较均匀地承担垛墙上游面的拉应力。(www.xing528.com)

该加固方案的优点：试验表明，喷混凝土和原垛墙能良好结合，粘结力较大，受力均匀，且施工较为方便。浇筑混凝土要搭排架，立模板，绑扎钢筋量较大，垛内施工空间小，施工难度大。原混凝土面凿平要求高，难度大。由于加固厚度较大，对垛墙原结构改变较大，投资较多。喷钢纤维混凝土只要搭较简单的脚手架即可施工，操作人员少，施工设备简便，便于在较小的空间施工。施工材料用量较少，可加快工程进度，投资较少。

三种方案比较：方案1）主要借鉴美国欢乐湖连拱坝加固经验，由于施工难度较大，投资多，且存在施加的预应力相对集中，在垛墙顶部施加压力，在垛内扩散较快，对中、低部的垛墙拉应力降低并不显著。而方案2）主要沿用1982年河床坝段垛墙加固方案，由于存在施工难度较大，新、老混凝土不易很好结合等缺点。因此，本次加固选用方案3）：采用在垛墙内喷高强钢纤维混凝土加固方案。

（3）选用方案加固设计。

1）计算分析及应力成果。

a.材料力学方法计算成果。原设计、1982年加高加固以及1995～1996年大坝首次安全复核中均采用了材料力学方法计算，计算成果表明，在不考虑温度、裂缝情况下，当库水位为130.0m、128.26m、125.56m时，垛墙最大主拉应力已超过了原规定的材料允许拉应力值。

大坝在施工和运行期间，由于温控、基础条件以及库水位和温度变化等因素的影响，拱、垛出现了很多裂缝，其中有影响安全的垛头缝和拱筒叉缝，垛墙纵横脱开（收缩缝），削弱了大坝垛墙的整体性，恶化了应力条件。本次加固拟采用喷高强钢纤维混凝土CF40，上游面板喷厚0.50m，两侧墙内侧喷厚0.4m。喷混凝土范围如图2.6、图2.7所示。按照贴厚加固后，新老混凝土联合受力条件，当库水位为129.56m、125.56m情况，同时考虑温度荷载，计算垛墙最大主拉应力值见表2.21和表2.22。

图2.6　典型垛（1982年未加固）钢纤维混凝土加固范围

（　单位：高程为m，尺寸为mm）

图2.7　典型垛（1982年曾加固）钢纤维混凝土加固范围

（　单位：高程为m，尺寸为mm）

表2.21　采用钢纤维混凝土加固后大坝上游面的主拉应力计算成果

注 表中应力单位为MPa；负号表示受压。

表2.22　采用钢纤维混凝土加固后1982年加固坝段上游面的主拉应力计算成果

注 表中应力单位为MPa；负号表示受压。

计算主拉应力值均小于钢纤维混凝土设计强度允许值，加固效果明显。

b.三维有限元计算成果。连拱坝结构复杂，为了能较准确掌握佛子岭大坝的抗震特性和加固效果，本次加固采用三维非线性有限元对大坝拱垛进行动静力分析计算。计算模型采用中国水利科学研究院抗震所近几年在有限元抗震分析模型研究中的最新成果，即：采用了显式有限元—人工透射边界方法，以考虑无限地基辐射阻尼的影响；静力荷载以阶跃函数的形式施加到坝体或坝体—地基系统中的方法进行计算，待静力反应稳定后，加上相应的边界约束力，地震波即可由坝体底部或基岩输入，对体系进行波动反应分析，也就是说，非线性体系的静力反应采用动力计算方法确定，并进一步进行静动组合计算；坝体横缝数值模拟的动接触力模型为配合计算。针对佛子岭水库连拱坝的具体情况，分别对12号垛以西和13号垛以东两种坝垛结构形态，模拟坝垛整体，收缩缝脱开及裂缝、加固前后结构，进行在各种不同载荷组合下的静力和地震动应力计算分析。

计算分析成果列于表2.23、表2.24。

表2.23　12号垛以西各工况垛墙、面板应力值

表2.24　13号垛以东各工况垛墙、面板应力值

三维有限元分析成果表明，各工况加固后较加固前垛墙应力条件有较大改善，自重+正常蓄水位125.56m+温降+8度地震载荷情况，收缩缝脱开，经加固后和整体无缝情况大致相接近。因此，可以认为：垛墙加固达到了预期的效果。

由于垛墙前部喷钢纤维混凝土和垛尾需要增加压重混凝土等，增加了垂直荷载，11号垛当假定滑动面为水平时，正常蓄水位125.56m，抗滑稳定安全系数可由K=2.89提高到3.05。

2）材料试验及指标拟订。同两端拱加固钢纤维混凝土材料性能指标的拟订一样，按照加固后新老混凝土的力学性能相互适应、结构受力协调一致的原则确定加固采用的钢纤维混凝土的强度等级。根据《佛子岭连拱坝混凝土质量检测与评价报告》实测资料，大坝垛墙老混凝土抗压强度为37.4～64MPa，平均抗压强度49.8MPa，变异系数为13.2%；混凝土静弹性模量2.69万～3.74万MPa，平均静弹模3.28万MPa。可见，佛子岭大坝垛墙混凝土后期强度等级相当于C40，故初拟钢纤维混凝土28d的强度等级为CF40。抗拉强度指标应满足大坝极限承载要求。

根据相关计算分析，大坝加固结构自重+正常蓄水位125.56m+温降（基本工况）和自重+正常蓄水位125.56m+温降+地震（特殊工况）两种工况为结构设计控制工况，两种工况加固后的大坝拉应力状况是：基本工况主拉应力均小于1.0MPa，最大2.0MPa，特殊工况主拉应力均小于3.0MPa，最大3.95MPa，且较大拉应力区域多出现在伸缩缝附近及大坝底部，多由应力集中而引起。针对以上情况，对钢纤维混凝土抗拉强度指标按照承载力极限状态计算确定，按抵抗一般区域的应力水平取值，即正常工况取1.0MPa，特殊工况取3.0MPa，应力集中部位进行配筋。经计算，钢纤维混凝土标准试件抗拉强度平均值取4.0MPa时，抗拉极限承载力满足规范要求。为避免加固后的新老混凝土产生薄弱结合面，初步拟订新老混凝土结合面粘结强度与钢纤维混凝土的抗拉强度一致。而钢纤维混凝土的弯曲韧度等指标系根据工程类比确定。

初步拟订的垛墙加固钢纤维混凝土28d龄期标准试件需要达到的主要性能指标如下：

喷混凝土的强度设计值最终根据喷射混凝土大板试件的各项试验值，参照有关规范取用。

佛子岭连拱坝垛墙采用钢纤维混凝土进行结构加固是本次除险加固工程设计的关键技术。技术要求高，施工难度大，且大规模采用喷射钢纤维混凝土进行大坝结构加固在国内尚属首次。为喷射钢纤维混凝土加固水利水电工程设计和施工提供可靠的依据和保证，并为这种新材料、新技术在水利水电工程上的推广应用创造条件，需要开展相关的试验研究工作，包括原材料配合比试验、大板试验、现场工艺试验和进一步的优化配合比试验。