CN105019408A - 拱坝地形缺陷加固结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水利水电工程结构，尤其是一种拱坝地形缺陷加固结构。本发明提供了一种适用于不同工况的拱坝地形缺陷加固结构，包括拱坝、建基面岩体、建基面插筋和下游混凝土加固贴脚，拱坝的边缘与建基面岩体结合，下游混凝土加固贴脚沿拱坝边缘在建基面岩体上延伸，下游混凝土加固贴脚位于拱坝的下游侧，下游混凝土加固贴脚通过建基面插筋与建基面岩体相互结合。本工程结构采用了下游混凝土加固贴脚，下游混凝土加固贴脚能够有效改善有地形缺陷的拱坝受力条件。下游混凝土加固贴脚通过建基面插筋与建基面岩体相互结合，建基面岩体和下游混凝土加固贴脚之间设置有接触灌浆层，可以使建基面岩体和下游混凝土加固贴脚之间结合紧密。

Description

拱坝地形缺陷加固结构

技术领域

本发明涉及一种水利水电工程结构，尤其是一种拱坝地形缺陷加固结构。

背景技术

拱坝为高次超静定结构，如建基面有地形垭口等地形缺陷，将恶化拱坝受力，可能使拱坝出现开裂，严重的可能导致拱坝整体失稳而出现毁灭性的破坏。因此，一般要求拱坝建基面平顺，避开垭口等地形缺陷。有时由于拱坝布置条件的局限，无法避免这样的情况出现，一般做法是在地形缺失处设置重力墩或推力墩，形成人工地基，最大限度的消除地形缺陷，改善拱坝受力条件。

但有些时候由于客观条件的限制，无法布置重力墩或推力墩，或布置重力墩或推力墩将大大增加开挖工程量和混凝土工程量，增加边坡高度或者施工困难。例如下面的例子：拱坝坝顶高程1885m，建基面在约1830m高程以上出现地形垭口，地形缺失出现在约1830m-坝顶高程1885m。因此，如果在该部位布置推力墩，推力墩高度至少也有55m，那样的话需要开挖推力墩基础，由于该部位边坡坡度较陡，为80度至90度，坝顶以上还有1000多米高边坡，开挖推力墩基础将大大增加拱坝坝肩开挖边坡高度，该拱坝由于坝高305m，为世界第一高坝，边坡高陡，坝肩开挖边坡高度本来就为高达500m级高边坡，如果在此基础上再开挖推力墩基础，边坡高度将急剧加大；同时，该边坡顺层挤压带及绿片岩发育，边坡稳定性极差，开挖推力墩基础将增加边坡稳定风险并增加巨大的支护工程量。传统的推力墩在拱坝较高、边坡高陡及边坡稳定性较差的情况下采用时，将极大地增加开挖支护工程量，加长工期，增加工程风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种优化拱坝受力的拱坝地形缺陷加固结构。

本发明解决其技术问题所采用的拱坝地形缺陷加固结构，包括拱坝、建基面岩体、建基面插筋和下游混凝土加固贴脚，所述拱坝的端部与建基面岩体结合，所述下游混凝土加固贴脚沿拱坝端部的边缘在建基面岩体上延伸，所述下游混凝土加固贴脚位于拱坝的下游侧，所述下游混凝土加固贴脚通过建基面插筋与建基面岩体相互结合。

进一步的是，所述拱坝和下游混凝土加固贴脚为一体化结构。

进一步的是，所述建基面岩体和下游混凝土加固贴脚之间设置有接触灌浆层。

进一步的是，下游混凝土加固贴脚的施工缝分缝与拱坝施工缝分缝一致。

进一步的是，所述下游混凝土加固贴脚布置在建基面岩体的地形缺陷处。

进一步的是，所述下游混凝土加固贴脚为台阶状。

本发明的有益效果是：本工程结构采用了加大的下游混凝土加固贴脚，加大的下游混凝土加固贴脚能够有效改善有地形缺陷的拱坝受力条件。加大的下游混凝土加固贴脚通过建基面插筋与建基面岩体相互结合，使得加大的混凝土贴脚能够稳固的连接在建基面岩体上。拱坝和加大的下游混凝土加固贴脚为一体化结构，可以使得两者的力传递一体化，从而使得拱坝受力达到最优的状态。建基面岩体和加大的下游混凝土加固贴脚之间设置有接触灌浆层，接触灌浆层可以使建基面岩体和下游混凝土加固贴脚之间结合更加紧密。

附图说明

图1是本发明的平面布置示意图；

图2是图1的K1-K1线剖面；

图3是图1的K2-K2线剖面；

图中零部件、部位及编号：拱坝1、下游混凝土加固贴脚2、拱坝基本体形边界3、建基面插筋4、常规贴脚5、拱坝建基面6、下游混凝土加固贴脚顶部边界7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括拱坝1、建基面岩体、建基面插筋4和下游混凝土加固贴脚2，所述拱坝1与建基面岩体结合，所述下游混凝土加固贴脚2沿拱坝1端部的边缘在建基面岩体上延伸，所述下游混凝土加固贴脚2位于拱坝1的下游侧，所述下游混凝土加固贴脚2通过建基面插筋4与建基面岩体相互结合。在施工时，首先在建基面结合边坡支护锚杆布置建基面插筋4，将建基面插筋4沿建基面岩体均匀布设，如图1所示，建基面插筋4外露建基面50cm，使加固贴脚的混凝土与基岩能较好的结合。加固贴脚的规模根据地形条件布置，下游混凝土加固贴脚2的混凝土与拱坝1的混凝土采用同等强度。

如图2所示，本结构的下游混凝土加固贴脚2相对于传统的常规贴脚5覆盖范围更宽广，可以有效的填充地形垭口等地形缺陷，其效果如图3所示；传统的常规贴脚5仅进行混凝土填充，其作用为填充拱坝1与开挖边坡，其没有插筋，不具备加固功能。下游混凝土加固贴脚2通过建基面插筋4与建基面结合连接，其稳固性好，可以有效分担拱坝1的受力。

下游交通布置方面，下游混凝土加固贴脚2应与常规贴脚5统一考虑，进行拱坝下游交通的整体布置

为有效改善拱坝受力，下游混凝土加固贴脚2与拱坝1基本体形混凝土进行整体浇筑。所述拱坝1和下游混凝土加固贴脚2为一体化结构。

具体的，所述建基面岩体和下游混凝土加固贴脚2之间设置有接触灌浆层。为有效改善拱坝1受力，加大的下游混凝土加固贴脚2与拱坝1基本体形混凝土进行整体浇筑，下游混凝土加固贴脚2的施工缝分缝与拱坝施工缝分缝一致，下游混凝土加固贴脚2与建基面岩体间进行接触灌浆，以使下游混凝土加固贴脚2与拱坝建基面6能较好的结合，其接触灌浆可以拱坝接触灌浆同步进行。

实施例

本例中的加固贴角与上文中的下游混凝土加固贴脚2具有相同的结构，为了区别方案，在本例中采用了不同的名称。

在某水利水电工程中，拱坝建基面在右岸1830m高程以上地形有一个垭口，1830m高程以上地形出现突扩，拱坝弦长突增，导致1830m高程以上拱坝刚度突然减小，柔度加大，由于该部位的地形突变，拱坝应力分布出现了高应力集中区及高梯度应力区，恶化了拱坝受力条件，可能造成该部位坝体开裂。

方案拟定

右岸1830m高程以上地形突扩，坝体在该处以上刚度降低较大，为增加坝体上部刚度，拟定在右岸上部加大加固贴角的方式增大1830m高程以上的的坝体刚度，改善坝体受力条件，拟定方案如下图所示。大加固贴角措施包括3个方案：

方案1：在25坝段、26坝段下游加大加固贴角，即在下游约El.1850m高程以下为常规加固贴角，从1850m高程开始到坝顶高程1885m，扩大下游加固贴角的断面，贴附25坝段、26坝段；

方案2：在24坝段、25坝段、26坝段下游加大加固贴角，从约1830m高程开始到坝顶高程1885m，扩大下游加固贴角的断面，贴附24坝段、25坝段、26坝段；

方案3：在24坝段、25坝段、26坝段上、下游上游均加大加固贴角，即上游大加固贴角+下游大加固贴角。

分析方法及工况

(1)计算方案

针对右坝肩建基面中上部1830m高程地形突变，为了增加顶拱右拱端附近的刚度，拟定以下几个右岸上部高程加固贴角方案，并进行了计算对比。

方案1：下游大加固贴角，加固贴角在坝顶高程贴附25坝段、26坝段；

方案2：下游大加固贴角，加固贴角在坝顶高程贴附24坝段、25坝段、26坝段；

方案3：上游大加固贴角+下游大加固贴角。

(2)三维有限元模型

采用三维有限元法对上述初拟方案进行线弹性及非线性分析，主要使用了ABAQUS和FLAC3D程序，线弹性计算采用ABAQUS程序，非线性计算则采用FLAC3D程序。

三维有限元模型模拟范围为上游大于1.5倍坝高，下游大于等于3倍坝高，左右两岸大于2倍坝高，坝基深度大于1倍坝高，坝顶高程以上模拟75m山体。并对各主要断层和岩脉进行了模拟。

(3)计算荷载及工况

计算考虑了正常蓄水、1.5～9.0倍水载超载等工况，荷载包括地应力、坝体自重、水载、泥沙荷载、温度荷载和渗流荷载。

计算成果及分析

一、线弹性分析

1)位移分析

右岸上部加固贴角位移计算表明：

(1)总体而言，各方案的坝体位移分布规律基本相同，量值上差别也不是很大。只有在El.1830m～El.1850m地形突变处右拱端位移有一些差别。

(2)各方案位移分布特点如下：

①右拱端：顺河向位移方案1和方案2相差不大，差值在0.2mm左右；方案3和方案2差值在0.5mm左右，最大差值在El.1850m高程，横河向位移分布类似；

②拱冠梁：各方案略的顺河向位移差值依次相差0.85mm左右，横河向位移差值在0.3mm左右。方案3位移略小，方案1位移略大；

③左拱端：各方案相差很小，差值在0.01mm左右。

2)应力分析

①坝体应力

右岸上部加固贴角应力计算表明：

上下游坝面左拱端和拱冠梁主应力：各方案的量值相差很小。但是方案3的上游加固贴角部位的坝面的拉应力区较大，具体如下：

上游坝面右拱端主拉应力：方案1和方案2相差不大。在1730m高程以上部位，除了坝顶高程外，方案3比方案1和方案2主拉应力略有增大，增大约0.3MPa左右。

上游坝面右拱端主压应力：在1730m高程以下部位，各方案相差不大；在1730m高程以上部位，方案3比方案1和方案2的主压应力要低，最大降低幅度约1.5MPa。

下游坝面右拱端主拉应力：在1750m高程以下，各方案相差不大，而且基本处于受压状态；在1770m高程附近，方案2和方案3相差不大，比方案1略低，约低0.3MPa，但是各方案均不超过1.5MPa。

下游坝面右拱端主压应力：各方案相差不大。

总体而言，右岸突变部位设置加固贴角，对左拱端和拱冠梁的应力影响不大；对1730m高程以上的右拱端部位略有影响。对于改善坝体下游坝面右拱端的主拉应力而言，方案2和方案3相当。

(2)加固贴角应力

右岸上部加固贴角应力计算表明：

①主拉应力：加固贴角的主拉应力在0.2MPa左右，方案3上游加固贴角的主拉应力略大。

②主压应力：加固贴角的主压应力在-4.5MPa以下，加固贴角和坝体的过渡部分有局部的应力集中。

二、非线性分析

(1)超载位移分析

拱坝超载情况下右岸加固贴角方案1下游坝面右拱端超载过程中的位移计算表明：

①左拱端和拱冠梁位移，各方案位移差别很小。

②对于右拱端，在1770m高程以上部位，方案3位移略小，方案1和方案2相差不大。

③非线性计算结果和线弹性计算结果规律类似。

(2)坝体和加固贴角应力分析

拱坝右岸加固贴角方案1在超载情况右拱端的应力计算表明：

①坝体上下游面左拱端和拱冠梁的应力，各方案相差不大。

②在坝体上游面的右拱端，在1830m高程以上部位，方案2和方案1的主拉应力相差不大；在1870m高程，方案3比方案1和方案2的主拉应力要小，小0.3MPa左右；在1870m高程以上部位，方案3的主拉应力比方案1和方案2要大，大约1MPa左右，显示出上游加固贴角处存在局部的应力集中现象。在超载到3倍水载时，方案3在1850m高程附近的拉应力要大。

③对于坝体下游坝面右拱端的主压应力，各方案相差不大。

④对于加固贴角应力，非线性计算结果和线弹性计算结果规律基本相同，量值略有差别，但是差别不大。

(3)坝体和加固贴角的点安全度分析

拱坝右岸加固贴角方案1超载过程中上下游坝面点安全度计算表明：

①各方案坝体点安全度分布规律基本相同，在量值上略有差别。正常工况下差别很小，3.5倍水载下的点安全度如下：

上下游坝面左拱端：各方案点安全度差别不大。

上游游坝面右拱端：方案1和方案2相差不大。在1800m高程以上部位，方案3点安全度略大，大约0.2左右；下游坝面右拱端：在1800m高程以下，各方案相差不大；在1800m高程以上部位，方案1、方案2和方案3依次增大，幅度约0.05左右。

上游坝面拱冠梁：各方案点安全度差别不大，方案3略大；下游坝面拱冠梁：各方案点安全度差别不大，在1700m高程以上部位，方案3略小，在1700m高程以下部位，方案3略大。

②加固贴角点安全度

在正常工况下，非线性计算结果和线弹性计算结果类似，点安全度数值差别不大；

超载过程中，除了方案3上游加固贴角有局部的点安全度降低外，其它部位点安全度在1.2～4.0。

三、各方案综合对比分析

为了深入分析各方案的特点，对加固贴角附近坝体的受力条件进行综合对比，计算表明：

①各方案的坝体位移分布规律基本相同，量值上差别也不大。加固贴角方案只影响El.1830m～El.1850m地形突变处右拱端位移。

②右岸上部大加固贴角，对左拱端和拱冠梁的应力影响不大；对1730m高程以上的右拱端部位有所影响。其中：

主拉应力：对改善坝体下游坝面右拱端的主拉应力有所改善，方案2和方案3相当。

主压应力：设置大加固贴角后，顶部高程右拱端附近坝体的主压应力得到了一定程度的改善。主压应力量值略有所降低，应力分布比较均匀，应力梯度变小。

点安全度：设置大加固贴角后，右拱端附近坝体的点安全度有所增大。

③对于上游坝面右拱端部位，在坝顶高程及附近部位，方案3的拉应力区要大；在该部位的建基面，方案3的拉应力区也略大。

④加固贴角的主拉应力在0.2MPa左右，方案3上游加固贴角的主拉应力略大。对于主压应力，加固贴角的主压应力在-4.5MPa以下，加固贴角和坝体的过渡部分有局部的应力集中。方案3的上游加固贴角主压应力在-2mPa以下。

⑤右岸加固贴角的设置对右拱端的点安全度有所提高，对左拱端和拱冠梁点安全度影响不大。加固贴角本身的点安全度在1.2-4.0之间。

⑥综合上述因素，三个方案均能改善右岸上部坝体受力条件，效果相差不大，方案2虽比方案1规模大，但由于拱肩槽下游坡地形单薄，制约了其支撑作用的发挥，且由于地形制约，实施较困难。方案3上游坝面右拱端在坝顶高程及附近部位拉应力区相对较大，因此最终采用方案1作为加固方案。

四、贴脚浇筑方式研究

针对加固贴角方案1，研究了不同加固贴角浇筑方式，对加固贴角附近的应力影响。计算工况包括：①无加固贴角；②有加固贴角分开浇筑；③有加固贴角整体浇筑。

正常工况下加固贴角附近的坝体、加固贴角的主应力成果可以看出：

(1)右岸加固贴角坝体右岸局部有所影响，对大坝整体的受力影响较小。

(2)有加固贴角情况比无加固贴角情况的下游坝趾主压应力要小，整体浇筑情况坝趾的主压应力最小。3个工况在1810m高程的主压应力依次为-6.1MPa、-4.8MPa和-3.2MPa。

(3)有加固贴角情况比无加固贴角情况的上游坝踵主拉应力要小，整体浇筑情况上游坝踵处的主拉应力最小。3个工况在1810m高程的主拉应力依次为2.12MPa、2.01MPa和1.94MPa。

(4)对于加固贴角应力而言，坝体和加固贴角分开浇筑时，加固贴角的主压应力略大一些，在1810m高程，分开浇筑和整体浇筑情况下的主压应力分别为-2.0MPa和-1.5MPa。而主拉应力相差不大，且均处于受压状态。

五、加固方案选定

综上所述，三个加固方案均能改善右岸上部坝体受力条件，效果相差不大，方案2虽比方案1规模大，但由于拱肩槽下游坡地形单薄，制约了其支撑作用的发挥，且由于地形制约，实施较困难。方案3上游坝面右拱端在坝顶高程及附近部位拉应力区相对较大。

从浇筑方案看，坝体和贴脚整体浇筑上游坝踵处的主拉应力最小。经综合比较，最终采取方案1，即下游混凝土加固贴脚2，下游混凝土加固贴脚2在25坝段、26坝段，并采用下游混凝土加固贴脚2与大坝混凝土整体浇筑的施工方式。

Claims (6)

1.拱坝地形缺陷加固结构，其特征在于：包括拱坝(1)、建基面岩体、建基面插筋(4)和下游混凝土加固贴脚(2)，所述拱坝(1)的端部与建基面岩体结合，所述下游混凝土加固贴脚(2)沿拱坝(1)端部的边缘在建基面岩体上延伸，所述下游混凝土加固贴脚(2)位于拱坝(1)的下游侧，所述下游混凝土加固贴脚(2)通过建基面插筋(4)与建基面岩体相互结合。

2.如权利要求1所述的拱坝地形缺陷加固结构，其特征在于：所述拱坝(1)和下游混凝土加固贴脚(2)为一体化结构。

3.如权利要求1所述的拱坝地形缺陷加固结构，其特征在于：所述建基面岩体和下游混凝土加固贴脚(2)之间设置有接触灌浆层。

4.如权利要求1、2或3所述的拱坝地形缺陷加固结构，其特征在于：下游混凝土加固贴脚(2)的施工缝分缝与拱坝(1)施工缝分缝一致。

5.如权利要求1所述的拱坝地形缺陷加固结构，其特征在于：所述下游混凝土加固贴脚(2)布置在建基面岩体的地形缺陷处。

6.如权利要求1所述的拱坝地形缺陷加固结构，其特征在于：所述下游混凝土加固贴脚(2)为台阶状。