熊 伟
(新疆生产建设兵团第十师水利工程管理服务中心,新疆 阿勒泰 836000)
近年来,我国已建或在建许多超高拱坝。在拱坝施工过程中,随着大坝浇筑高度和合龙灌浆的增加,大坝将逐渐形成一个整体[1]。在此过程中,由于汛期的护堤作用,河道两侧的引水隧洞处于长时间使用中,故不会有水流进入坝前基坑。因此,坝前未采取挡水措施。但随着坝高的增加和截流灌浆的逐步完成,大坝将整体悬挑。根据工程实践经验,当拱坝的悬挑不能得到适当控制时,可能会在坝肩、坝趾和两岸坝脚处产生过大的应力,从而产生裂缝[2]。此外,随着坝体高程的升高,廊道顶板和底板的拉应力在重力荷载作用下会增加,将增加廊道顶板的开裂风险。
为了有效控制上述问题,需要通过提前对基坑进行充水来解决或缓解,不仅可以缓解拱坝的悬挑,而且可以有效提高坝基廊道的应力水平,提高基础约束区水库的水温,有利于大坝施工和运行全过程的安全控制。因此,对于超高拱坝,有必要在浇筑初期进行类似研究,合理优化基坑充水的时机和高程,为有效控制大坝工作行为和避免可能的开裂风险提供重要支持。
本文以某拱坝为例,研究大坝施工过程中基坑充水的时机和高程,重点分析拱坝的悬挑和重力作用下坝廊应力开裂的风险,提出有利于大坝悬挑条件下应力状态控制的思路和措施,为工程的安全施工提供支持。
某双曲拱坝属于300m超高拱坝,最大坝高289m,基础高程545m,坝体混凝土体积约803×104m3。大坝分为31个坝段,大坝两侧不对称布置。
2.1 重力荷载作用下大坝悬挑风险分析
为了反映大坝悬挑的风险,采用大坝施工过程模拟方法,模拟大坝重力荷载在全过程中的叠加过程,分析大坝重力荷载作用下悬挑应力的基本规律和变化趋势[3]。在计算中,只考虑重力荷载,没有考虑温度、水压和蠕变等其他荷载,总体计算模型见图1。
图1 总体计算模型
灌浆根据大坝实际的合龙灌浆进度进行。从图2可以看出,在坝前不挡水的前提下,重力荷载引起的悬挑应力主要分布在下游表面的左右岸和河床的扩展基础区域,这也是拱坝施工过程中需要注意的两个区域。随着坝高的增加,大坝下游面左右岸的拉应力越来越明显。截至2022年6月底,大坝最大高度约150m。如果上游没有蓄水,局部可能出现约0.6～0.8 MPa的拉应力,下游扩展基础区域可能出现约0.8～1.0 MPa的垂直拉应力,且该拉应力将随着坝高的增加而逐渐增加。
图2 大坝悬挑影响分析
2.2 大坝重力荷载作用下廊道开裂风险分析
根据孔洞理论,当理论上在没有孔洞的大坝内部产生1MPa的垂直压应力时,走廊顶部(A点)将产生1MPa拉应力;当沿河产生1MPa的拉应力时,孔顶区沿河拉应力(σy、σx、τxy)将达到3MPa,在孔边缘表现出明显的应力集中。
对大坝廊道区域的应力过程进行分析可以看出,随着坝高的增加,廊道区域特别是灌浆廊道上的压应力一直在增加(表明廊道顶部和底部的拉应力一直增加),而沿江应力在冷却阶段呈现出一定的拉应力,在温度上升的作用下转化为较小的压应力,并保持相对稳定。直到大坝被水堵住,才反映为随着水位的增加而产生更大的压应力。可以看出,在筑坝之前,内部走廊的拉应力水平将一直处于增加的状态[4]。
一般来说,为了有效减少大坝整体上升和悬挑对下游表面和廊道区域造成的不利拉应力,通常采用坝前蓄水来缓解[5]。但时间和高程需要复核分析,因为这种坝前挡水方案既有优点也有缺点。优点主要包括:①可以缓解大坝悬挑造成的不利影响;②可以增加沿河的推力,从而降低走廊破裂的风险。缺点主要包括:①应注意减小横向接缝孔径,从而影响横向接缝灌浆;②上游水压在坝踵处产生拉应力。
不同大坝填筑高度对横向接缝孔径的影响见表1。从表1可以看出,当大坝接缝灌浆高程为574m,上游挡水水位分别达到575～600m时,15#-23#横向接缝均处于受压状态。水位越高,横向接缝的压缩越大,最大压缩为0.11mm。显然,现阶段坝前蓄水对横向接缝孔径有影响。其主要原因是当拱坝高程较低时,拱坝的应力主要是沿梁方向的应力,而在拱方向的影响并不显著。
表1 不同蓄水位的横向接缝压缩(灌浆高程574m)
由表2可知,大坝灌浆至637m高程后,如果上游基坑注水至630m高程,最大横向接缝压缩为0.17 mm。考虑到本项目的平均最大横向接缝孔径约为1.0 mm,这种压缩对横向接缝灌浆的影响仍然可控。当水位达到660m时,横向接缝的压缩将接近0.5mm,将影响横向接缝灌浆。因此,如果蓄水位达到660m,坝前灌浆高程需要超过660m,否则可能会影响横向接缝灌浆。
表2 不同充水水平下的横向接缝压缩(灌浆高程637m)
从图3可以看出,当大坝上游开始蓄水时,坝体廊道中的沿江压应力水平明显提高。沿江压应力的提高将有效降低重力荷载引起的廊道顶板和底板的应力水平,整体上改善走廊区域的应力分布,降低走廊区域的开裂风险。坝前挡水将明显改善上游廊道的应力,有利于改善廊道区域的应力。因此,在条件允许的情况下,应尽快进行注水,水位越高,对廊道区的应力改善就越有利。因此,应综合考虑大坝的横向接缝灌浆和廊道内的应力[6]。
图3 坝廊区不同水位应力云图
1)拱坝重力荷载引起的不利拉应力主要集中在坝体下游表面,包括左右岸、下游扩基区和底部高程走廊区。在纯重力荷载作用下,大坝下游表面左右岸逐渐产生明显的拉应力,这将增加下游表面开裂的风险。
2)当大坝蓄水高程低于630m时,对横缝孔径的影响有限,横缝压缩量小于0.2mm。在正常横缝孔径前提下,考虑该压缝因素后,横缝孔径在0.5mm以上,不会影响横缝灌浆。
3)合理控制基坑充水水位高程,有利于改善大坝下游表面应力和廊道区应力。如果水位过高,会影响横向接缝灌浆,应根据实际情况进行合理控制。
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