葠窝水库混凝土重力坝加固效果评价.pdf

第 4 6卷第 5 期 2 0 1 0年 5月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 Ga ns u W a t e r Co n s e r v a nc y an d Hy dr o p o we r Te c hn o l o g y Vd 4 6， No 5 Ma y， 2 0 1 0 设计与研究 莅窝水库混凝土重力坝加固效果评价 孙建华 ( 莅窝水库管理局， 辽宁 辽阳1 1 1 0 0 0 ) 摘要： 茬窝水库进行了2次加固。第 1次加固采用了内锚式预应力锚索加固坝体裂缝、 钢纤维混凝土修补底孔气蚀。 第2次加固采用化学灌浆处理水平施工缝渗漏、 溢流面冻融混凝土凿旧补新处理。本文介绍了这 2次除险加固采用 的方法， 对实施效果进行 了简要评价。 关键词： 莅窝水库； 大坝加固； 效果； 简评 中图分类号 ： T V 6 9 8 2 + 3 文献标识码 ： B 1 工程概况 莅窝水库位于辽宁省辽阳市东约 4 0 k m处的太子河干 流上， 是一座以防洪、 灌溉、 工业供水为主， 并结合工农业供 水进行发电的大( 2 ) 型水利枢纽工程， 总库容 7 9 1 x 1 m ， 。 大 坝为混凝土重力坝， 最大坝高 5 0 3 m， 全长 5 3 2 m， 共分为 3 1 个坝段， 溢流坝段位于主河床的 1 8 坝段， 全长 2 7 4 2 m， 电站坝段 位于 1 9 # 一 2 1 坝段 ， 全长 4 0 5 m， 挡水 坝段位 于 两岸 1 3 、 2 2 3 1 坝段 ， 全长 2 1 7 3 m。 2 第 1次加固 莅窝水库修建于“ 文革” 时期 ， 坝体部分混凝土浇筑质量 较差， 温控措施不力 ， 大坝运行初期即产生大量裂缝， 有的直 接威胁到大坝安全， 多年来一直降低水位运行。 此外， 底孔也 存在气蚀破坏现象。 为消除安全隐患， 恢复应有的效益， 水库 管理部门于 1 9 8 3年开始进行第一次加固。 2 1 内锚式预应力锚索加固 截至第 1次加固前，莅窝坝体大小裂缝已达到 8 0 0条， 严重裂缝 7 5条。 其中有 1 条纵向的裂缝， 沿排水廊道顶拱向 下游坝面发展，和横向廊道及底孔在相应部位构成环形裂 缝。 经检查， 在 4 2 5 共 2 2 个坝段中， 有 1 7 个坝段排水廊道 顶拱存在这种裂缝， 缝宽在 0 1 1 4 in l n 之间， 深度不等， 而 当中溢流坝段的5 、 7 坝段 ， 挡水坝段的2 3 、 2 5 坝段的裂缝 都 自基础开裂， 向上延伸， 有的坝段仅差 1 - 2 就贯穿到坝 顶， 缝宽在 O 1 0 5 m m之间。 这些裂缝顶端不但存在应力集 中的作用， 而且又处于年气温变化影响而产生的拉应力区域 内， 所有裂缝有继续扩展的趋势 ， 严重影响大坝的安全稳定。 这些严重裂缝的顶端靠近下游侧， 受施工水平和坝基地 质条件所限， 考虑水库大坝坝体较厚， 有足够的空间将锚束 布置在坝体 内， 经过计算 比较 ， 采用了在下游坝面加 2排 6 0 t 级内锚式预应力锚索的加固方案。 预应力锚索选用外锚 头墩头式 、 内锚头胶结式的锚束形式， 索体由隔离架固定的 3 0 根 m m预应力结构用高强碳素钢丝组成。 通过计算， 对微小裂缝( 缝宽在 0 5 m m以下) 在坝段顶 部加 2排5 0 t 锚索与 8 0 t 锚索对坝踵单元所产生的应力变 化不大。 考虑到布置在坝体内部的内锚头不致于在坝体内产 生较大的拉应力 ， 损坏混凝土本身的抗裂性能， 根据当时的 拉伸机具和锚具的加工能力 ， 选定预锚吨位为 6 0 t 级。根据 所选用钢丝的标准抗拉极限强度，选定设计安装吨位 5 5 t ， 超张拉吨位 6 0 5 t 。挡水坝段的 4 、 2 3 、 2 5 坝段，溢流坝段 5 、 6 、 7 、 8 、 1 0 、 1 2 坝段，电站坝段 2 坝段共 l O个坝段布 置锚索 ， 孔深有 8 m、 9 m、 1 1 m、 1 2 m共 4种， 孔距和排距 都为 2 m， 索体穿过裂缝在下游面和坝体内形成 2个跨缝的 锚固点，对裂缝提供正应力， 1 0个坝段共布置锚索 1 2 4柬， 钻孔总进尺 1 3 3 2 8 m， 设计施加应力 7 0 6 8 t 。 预应力锚索经张拉后 ， 坝体产生了预压应力 ， 使裂缝有 所闭合，起到了限制裂缝继续扩展和部分压合裂缝的作用， 达到了加固坝体的目的。施工完成后经检测， 预应力锚索永 存吨位基本在 5 0 t 以上。经过多年运行和监测， 裂缝的发展 得到遏制， 水库也于加固后的 1 9 9 1 年恢复正常高水位运行。 2 2 钢纤维混凝土修补底孔气蚀破坏 底孔是梗窝水库泄洪、 排砂、 施工导流及放空水库的重 要设备， 共 6 孔 ， 间隔布置在溢流坝段胖闸墩内， 单孔最大泄 量 5 7 1 m3 ， s ， 全长 4 4 0 m。检修闸门和工作闸门形式均为平 板钢闸门， 闸门段洞身呈矩形， 孔 口尺寸为 3 5 m 8 0 m。为 满足结构应力要求 ， 在洞身四角设有宽 0 7 5 m， 高 0 5 m的 三角形贴角。 该贴角于检修门槽及工作门槽处以无渐变形式 间断。 1 9 8 1 年 1 O 月在对大坝进行全面裂缝检查时，发现除基 本没有泄流的 底孔未破坏外，其余各孔工作闸门槽后底 板、 两侧边墙及贴角前部均有气蚀破坏现象， 其中运用最频 繁的3 底孔破坏最为严重。该孔闸后破坏区长近 3 0 m， 高 1 1 m， 底板破坏深度达 4 1 0 m m， 边墙破坏深度达 2 0 0 m m， 钢筋裸露。其余 4孔也有不同程度的破坏。 根据底孔模型试验结果 ，由于底孑 L 贴角布置不够合理， 形成斜面突坎， 使水流与固体边界相脱离 ， 产生分离型固定 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 4 1 4 作者简介： 孙建华( 1 9 6 9 一 ) ， 男， 辽宁人， 高级工程师， 主要从事水库运行管理。 4 4 第 5期 孙建 华 ： 莅窝水库混凝土重力坝加固效果评价 第 4 6卷 空穴， 造成了底孔的气蚀破坏。 针对气蚀破坏原因及部位 ， 采 用以下修补措施： 将工作闸门与检修闸门间底板两侧的原三 角形贴角全部凿除 ， 改成圆弧状贴角； 将工作 闸门后 6 m 范围内原贴角凿除， 布置渐变段， 双向坡度分别为 1 ：5 7 3和 1 ： 8 6 ； 贴角选用 C 2 5钢纤维混凝土， 经试验， 确定配合 比为 5 2 5 大坝硅酸盐水泥： 砂 ： 石： 钢纤维= 1 ： 1 8 2 ： 3 0 7 ： 0 2 4 8 ， 水 灰比为0 5 0 ， 木钙掺量为 0 2 5 ； 修补处底板和边墙凿深 3 0 0 m m， 露出新鲜混凝土面， 插人数根燕尾筋 ， 将贴角斜向钢筋 与其焊接牢固后， 浇筑钢纤维混凝土。 用以上方案进行修补处理后运行多年， 中间经过多次高 水位泄流考验， 经检查修补后混凝土表面没有出现麻面及剥 落等气蚀破坏现象。 3 第 2次加 固 在第 1 次加固验收结论中， 提出溢流面混凝土冻融破坏 比较严重， 待时机成熟进行修补。1 9 9 8年经辽宁省水利水电 科学研究院现场检测分析 ，溢流 面冻融破 坏区域达到 6 5 1 ， 最大破坏深度为 5 0 0 m m。造成溢流面冻融破坏 的主 要原 因之 一是水平施工缝 渗水 ， 因此 ， 要处理 溢流面冻 融破 坏， 首先必须切断水平施工缝的渗水通道， 结束溢流面混凝 土的水饱和状态。第 2次加固于 1 9 9 9年开始进行。 3 1 水平施工缝化学灌浆堵漏处理 根据莅窝水库以前对坝体裂缝的灌浆经验， 选用了水溶 性聚氨脂( L W 和 H W两种) 作为灌浆材料， 分别在观测廊道 内及溢流堰顶用钻机或风钻打斜交孔进行灌浆堵漏， 灌浆位 置在坝体防渗混凝土和坝体排水管之间。 主要施工过程包括 钻孔取芯、 有压洗孔、 压水试验 、 灌浆 封孑 L 、 效果检查等几部 分 。 钻孔采用地勘钻机， 金刚石钻头或合金钻头钻进 ， 孔径 为 5 9 mm ( 风钻孔径为 3 8 mm) ， 根据浆液行浆半径的大小， 孔距定为 1 5 m。 洗孔水压力控制在 0 5 MP a ， 将水管伸人孔 底， 反复冲洗， 待回水变清后 1 0 m i n方停止洗孑 L 。压水试验 采用一次性压水法 ， 最大压水压力为 0 6 M P a ， 在施工中发 现与邻孔串通时， 先将邻孔阻塞， 再进行压水。 根据压水时间 和进水量计算吸水率，作为确定灌浆压力及浆液配比的依 据。 灌浆时将按设计要求配制好的浆液倒人灌浆桶中并计 量， 然后进行扎管压浆 此时灌具上的排水管打开 ， 进行排 气、 排水， 待纯浆流出后将排水管扎住进行压浆。 阻塞位置机 钻孔设在工作缝上方 5 0 0 m m处； 风钻孔设在孑 L 口。灌浆压 力依据 压水试验情况在 0 3 1 0 MP a 范 围内进行调整 ： 当压 水试验进水量大时， 取低压； 当压水试验进水量小或不进水 时， 取高压。 在最大灌浆压力下， 持续 1 5 mi n不进浆； 根据压 水试验资料 ， 达到设计进浆量时 ， 维持 2 0 m i n ； 在灌浆过程 中， 待邻孑 L 出纯菜时。 满足上述三条之一者经验收认可， 即可 终止本孔灌浆。 灌浆结束 4 8 h 后 ， 在封孔段内插入 p 2 0的灌浆管 ， 回填 石英砂( 最大粒径为 4 mm) ， 用压浆泵将水灰比为 0 8的水 泥浆压人孔中， 进行封孔。 封孔后， 按总钻孔数 1 0 的比例在 不进浆或出现异常灌浆情况的孔位旁重新布置检查孔 ， 钻孑 L 取样 ， 观察浆片在混凝土芯样中的充填情况， 进行压水试验 检查 。 灌浆后 ，用肉眼可直接观察到溢流面渗水明显减少； 钻 孔取样检查 ， 浆片在缝隙中充填饱满， 压水试验效果理想， 满 足了工程防渗要求 ， 为溢流面冻融混凝土凿旧补新处理打下 了基础 。 3 2 溢流面冻融混凝土凿旧补新处理 溢流面混凝土冻融破坏深度在 1 0 0 3 0 0 m m之间， 因此 在混凝土凿除时， 控制最小凿除深度为 3 0 0 m m， 凿成台阶 状， 台阶高度为 6 0 0 mm。为了防止应力集中， 对台阶的所有 尖角，均改设内外抹角代替，内外抹角尺寸均为 2 0 0 m m 20 0 mm 。 将原混凝土凿除后 ， 布置 p 2 O锚筋 ， 全长 9 0 0 m m， 间距 6 0 0 m m， 梅花形布置， 垂直堰面， 下端锚人老混凝土中， 最小 锚 固深度 5 0 0 I n I n 。新布设 的钢筋网 ，顺水流方向采用 q 1 6 2 0 0 ， 垂 直水 流方 向采 用 1 2 2 0 0 ， 新设钢 筋 网与锚筋 焊接 ， 与原钢筋网在边缘处留有的钢筋头焊接 使新老钢筋、 锚筋形成一 个整体。 混凝土水灰比为 0 3 6 8 ， 砂率为 3 4 ， 木钙减水剂含量为 0 2 5 ， A E A 2 o 2 型引气剂含量为 0 0 0 6 ， U E A普通型膨胀剂 含量为 1 0 。 混凝土拌和场位于坝顶， 水平运输采用翻斗车， 垂直运输采用缓降器下接溜槽直接摊铺人仓。 采用滑模施工 技术 ， 浇筑 C 3 0 、 W6 、 F 3 0 0的高强抗冻混凝 土。 混凝土在 浇筑后 逐渐 出现裂缝 ，经检测 ，共 出现裂 缝 2 3 0条 ， 长度 在 1 4 7 2 4 1 5 m之 间 ， 宽度在 0 0 9 0 4 3 m m之 间， 其中缝宽在 0 2 5 m m以下的裂缝 1 5 3 条。大部分裂缝为 垂直水流方向的水平裂缝 ， 占总裂缝的 9 0 以上。裂缝经修 补处理后运行至今，中间经过多次大流量泄流和冻融的考 验， 效果 良好。 4结语 莅窝水库先后两次除险加固， 采用了预应力锚索 、 钢纤 维混凝土、 化学灌浆和混凝土凿旧补新分别处理了大坝纵向 裂缝、 底孔气蚀破坏 、 溢流堰面冻融破坏等安全问题， 总体上 来说是比较成功的， 较好地解决了枢纽工程安全隐患。但在 溢流面冻融混凝土的凿 旧补新处理过程 中， 如何避免大规模 裂缝的产生， 是值得继续研究和探讨的问题。 参考文献 ： 1 王淑敏， 李道庆， 莅窝水库大坝底孔气蚀破坏的处理 水利水电 技术 J 1 9 9 9 ， ( 2 ) 2 朱伯芳 水工混凝土结构的温度应力与温度控制 M 北京 ： 水 利电力 出版社 ， 1 9 7 6 3 黄国兴， 陈启新 水工混凝土建筑物修补技术与应用 M 北京： 中国水利水电出版社， 1 9 9 8 4 孙志恒 水工混凝土建筑物的检测、 评估与缺陷修补工程应用 M 北京： 中国水利水电出版社， 2 0 0 4 4 5