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混凝土面板堆石坝面板稳定与抬升破坏的关系

1  工程概况

金竹水电站位于浙江省遂昌县金竹镇,工程的主要任务为水力发电,坝址设在梭溪与官坊坑支流汇合口下游约50m处,厂址设在金竹镇金竹村上游村头河道左岸,下游距湖南镇水库库区约10km。梭溪是乌溪江流域湖山源的一条支流,发源于遂昌县金竹镇白岩洞尖西麓,集雨面积63km2,河长19km

金竹水电站坝址以上集雨面积33.4km2,电站装机容量2×3200kw,水库按50年一遇洪水设计,300年一遇洪水校核,正常蓄水位447.5m,相应库容为128.1m3,设计洪水位(p=2%450.54m,校核洪水位(p=0.33%451.1m,相应库容为185.1m3。金竹水电站挡水建筑物为混凝土面板堆石坝,坝顶高程为451.5m,趾板建基面高程414.0m,最大坝高37.5m,坝顶宽度4.8m,坝顶长度150.95m,上、下游坝坡均为11.3。坝基覆盖层厚为0.53.4m,以下基岩为弱风化晶屑熔结凝灰岩。

2006415日至5306#~8#坝块面板混凝土浇筑完成,面板顶高程448.0m65日在遭遇施工期超标准洪水后6#~8#坝块面板抬升破坏,面板在高程424m附近形成一条大的横向弧形裂缝和一些细小裂缝,分析认为面板因抬升变形,局部已折断,经研究决定对高程426m以下受破坏面板进行凿除后重新浇筑处理,需要凿除重新浇筑的面板混凝土约560m2,混凝土方量约200m3

故面板自身是不能保持稳定的。设计面板修复采取的施工方案为第一次凿除单块面板两边各4.0m宽度,即一期先凿除6-17-17-38-18-3块,中间预留4.0m7-28-2)宽度作为支撑,两侧混凝土预留施工宽度后的浇筑宽度为7.2m,待两侧混凝土达到70%强度后再凿除中间预留的混凝土带。面板修复工程于200611月施工完毕。

2  面板抬动原因分析

金竹水电站施工导流采用一次性断流,隧洞导流的方式,即非汛期围堰挡水,导流隧洞过流;梅雨期及台汛期坝体挡水,导流洞泄水。本工程水库规模属小(1)型,工程等别为Ⅳ等,主要建筑物拦河大坝级别为4级,导流建筑物级别为5级。导流建筑物采用土石围堰结构,相应的设计洪水标准采用3年一遇,根据导流方式与施工总进度计划情况,本工程导流时段选择在非汛期,其设计洪水洪峰流量为Q103m3/s,汛期坝体挡水度汛设计洪水标准采用20年一遇,其设计洪水洪峰流量为Q376m3/s

200665日大坝遭遇约30年一遇施工期超标洪水,基坑被淹,坝前水位达到约430m,此时大坝面板已浇注完成⑥⑦⑧三块面板,其余面板尚未浇注,坝体采用5cm厚砂浆护面防渗,620日基坑积水全部排干后发现6#~8#坝块面板抬升破坏。

一般认为面板抬升的主要原因是下游反渗水所致,但金竹水电站坝基覆盖层厚仅为0.53.4m,趾板即坐落在覆盖层以下的弱风化晶屑凝灰岩上。坝址处河床高程约为417m,趾板建基面高程为414.0m,河床与趾板基坑高程相差仅3m,反渗水的水头差较小,笔者认为较小的水头差不足已抬动面板。面板是在遭遇施工期超标准洪水后库内有水的情况下发生抬升破坏的,当时面板仅浇注了三块,并未形成完全封闭的防渗系统,其上下游水头差也不应太大,故笔者认为面板抬升的原因不完全是下游反渗水所致。

结合面板处理修复方案设计,对面板下部破坏部分凿除后上部剩余部分面板进行稳定计算,计算结果剩余面板是不稳定的,同样可以算出面板的整体稳定性也是不够的。故笔者认为面板抬升的主要原因是面板失稳后错动所致。分析金竹水电站的面板抬升破坏过程为:施工期面板处于极限平衡状态,遭遇施工期超标准洪水后,面板浸泡在水中,面板与垫层间的摩擦系数降低,导致面板失稳滑动,同时由于垫层面不平整,面板抬升后局部架空,造成面板裂缝或断裂破坏。

3  结语

金竹水电站面板修复工程中遇到了一个新的问题--面板的自身稳定问题,根据计算当上游坝坡为11.3时,面板自身是不稳定的,需要下部趾板的支撑,这不符合独立的建筑物自身应保持稳定的原则,同时在岸坡段趾板也无法提供足够的支撑,且规范规定趾板稳定分析采用刚体极限平衡法,在进行趾板稳定计算中不计趾板锚筋作用及面板与趾板之间的传力,即趾板支撑面板是不允许的,这个问题应引起设计和研究人员足够的重视。

笔者认为面板必须自身保持稳定,这一点在《混凝土面板堆石坝设计规范》(SL228-98)无相应规定,规范仅对坝体稳定及渗透稳定有所要求,特别是要求坝体临时断面挡水度汛时,应满足抗滑稳定和渗透稳定要求。《混凝土面板堆石坝设计规范》建议坝体上下游坡度为11.311.4,反算保持面板稳定则垫层与混凝土间的摩擦系数必须达到0.8以上,这就要求面板垫层设计时要充分考虑垫层与混凝土间的摩擦系数问题,而一般干燥情况下混凝土与砂砾石间的摩擦系数在0.6左右,坝坡为11.311.4时的面板抗滑稳定安全系数小于1,笔者认为这一结论说明现面板坝设计中坝体的上游坡度偏陡,若工程实际中垫层摩擦系数达不到要求则应放缓坝坡或采取其他必要的工程措施增加垫层与混凝土面板间的摩擦系数,以保证面板的抗滑稳定性。

                                                                  供稿:薛志平  摘自专家陈皓论文