水利工程論文-關(guān)于梅山連拱壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題的探討.doc

水利工程論文-關(guān)于梅山連拱壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題的探討摘要：梅山大壩建成運(yùn)行數(shù)十年來(lái)，歷經(jīng)了20世紀(jì)60年代、70年代、80年代和90年代的多次除險(xiǎn)加固，目前仍在進(jìn)行新一輪的險(xiǎn)除加固。梅山連拱壩傳遞荷載的型式具有橋墩式結(jié)構(gòu)特征，但又遠(yuǎn)比橋墩式荷載更為復(fù)雜。特別是兩岸壩肩垛基(支墩地基)，地形上具備向下游和河床兩個(gè)方向的位移臨空空間；垛基巖體中存在傾向河床方向的緩傾角結(jié)構(gòu)面和順河走向陡傾裂隙，構(gòu)成了垛基雙向滑移的邊界條件。更為特別的是，垛墩（橋墩）直接建于斜坡巖體之上，并未進(jìn)行必要的嵌入式結(jié)構(gòu)處理，部分垛墩與地基呈階梯式接觸，建筑物與地質(zhì)體之間的連接表現(xiàn)為既可以轉(zhuǎn)動(dòng)又可以移動(dòng)的可動(dòng)鉸支座型式，從而構(gòu)成了大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重大隱患。1962年發(fā)生右岸壩基位移導(dǎo)致壩體裂縫已經(jīng)足以說(shuō)明以上缺陷的存在事實(shí)。關(guān)鍵詞：梅山大壩除險(xiǎn)加固結(jié)構(gòu)穩(wěn)定連拱壩超靜定1前言梅山大壩以其獨(dú)特的壩體結(jié)構(gòu)型式而聞名于世，并被收錄入水工建設(shè)物教科書(shū)。梅山大壩又以其運(yùn)行期的壩基錯(cuò)動(dòng)滲水成為國(guó)內(nèi)著名的病險(xiǎn)大壩，令后人為此進(jìn)行除險(xiǎn)加固而絞盡腦汁費(fèi)盡心機(jī)。更為令人稱奇的是，大壩屬于設(shè)計(jì)十分先進(jìn)的輕型空間高次超靜定結(jié)構(gòu)，但卻在沒(méi)有計(jì)算機(jī)的20世紀(jì)50年代，完全靠拉計(jì)算尺這樣的手工勞動(dòng)完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，并將大壩順利建成，這在大壩設(shè)計(jì)史上并不多見(jiàn)。自然，當(dāng)年的大壩設(shè)計(jì)者們榮登當(dāng)今設(shè)計(jì)大師寶座，成為我等小字輩工程技術(shù)人員的追星偶像，確屬當(dāng)之無(wú)愧。筆者求學(xué)時(shí)對(duì)梅山大壩略有所知，在其后的工作中聆聽(tīng)過(guò)前輩專家作為工程實(shí)例的分析介紹，而真正一睹這一工程偶像的雄姿風(fēng)采，則是在有幸參加該工程除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)審查工作的2003年。工作期間，筆者除了例行公事從工程地質(zhì)專業(yè)角度去分析理解壩基地質(zhì)結(jié)構(gòu)缺陷與處理措施可行與否之外，更多的是在虔誠(chéng)地領(lǐng)悟大師們的設(shè)計(jì)思想，認(rèn)真地體會(huì)在當(dāng)時(shí)條件下如此復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則、力學(xué)簡(jiǎn)化和計(jì)算方法，驚嘆大師作品的精妙之處，崇敬大師們的設(shè)計(jì)膽略和創(chuàng)新氣魄！一番激情之后，筆者思考得更多的是壩基地質(zhì)結(jié)構(gòu)和大壩受力特征之間的關(guān)系，試著去分析大壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題。根據(jù)筆者僅有的一點(diǎn)力學(xué)知識(shí)，認(rèn)為該大壩存在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性隱患，故撰寫(xiě)此拙文斗膽質(zhì)疑安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)論和除險(xiǎn)加固工程的設(shè)計(jì)原則，全當(dāng)學(xué)術(shù)交流、探討和爭(zhēng)鳴。抱著求知、請(qǐng)教和拋磚的態(tài)度，去探索、商榷和討論有關(guān)工程技術(shù)問(wèn)題，歡迎批判。本拙文絕沒(méi)有任何其他貶義的意思，只是希望表明一種思考性地學(xué)習(xí)和研究權(quán)威經(jīng)典作品的態(tài)度，謹(jǐn)此而已！2工程概況梅山水庫(kù)是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、航運(yùn)及水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的大型水利樞紐工程。工程位于淮河支流史河上游的安徽金寨縣境內(nèi)。水庫(kù)樞紐工程由攔河大壩、溢洪道、泄洪洞、放水底孔、發(fā)電站等建筑物組成。水庫(kù)總庫(kù)容22.64億m3，電站總裝機(jī)容量40MW。工程于1954年動(dòng)工，1958年初開(kāi)始蓄水運(yùn)行，1962年11月，右岸壩基發(fā)生基巖錯(cuò)動(dòng)大面積漏水事故，于1963年放空水庫(kù)，對(duì)大壩和壩基實(shí)施加固處理，1966年5月加固結(jié)束，再次蓄水運(yùn)至今。2002年4月，有關(guān)單位對(duì)該工程進(jìn)行了安全鑒定，認(rèn)為大壩抗震性能不滿足安全運(yùn)行要求；大壩裂縫嚴(yán)重；兩壩肩的防滲性能存在不足，對(duì)大壩穩(wěn)定不利；存在嚴(yán)重安全隱患。鑒定結(jié)論為三類壩。攔河大壩壩型為連拱壩（圖1），屬支墩壩類型，由15個(gè)支墩（垛）和16個(gè)拱組成（編號(hào)由左岸至右岸），最大壩高88.24m。壩址兩岸地形具明顯差異。左岸為凸岸，山體寬厚，壩肩上下游工程穩(wěn)定安全范圍區(qū)內(nèi)無(wú)沖溝深切，4#支墩至1#支墩之間平均地形坡度35，壩頂高程以上地形較為平緩。右岸為河流沖刷岸，右壩肩岸坡較陡，上下游受沖溝鋟蝕，形成臨空面。壩基巖體為單一巖性的燕山期細(xì)?；◢弾r，呈巖株?duì)町a(chǎn)出，邊緣與變質(zhì)巖的接觸帶在右岸溢洪道附近，混熔接觸?；◢弾r體中發(fā)育三組原生冷凝節(jié)理，受后期多次構(gòu)造作用，進(jìn)一步發(fā)展為斷層、剪節(jié)理或裂隙密集帶。裂隙發(fā)育于各個(gè)方向均有存在，對(duì)工程穩(wěn)定性影響較大的是與兩岸岸坡交角較小的裂隙，有傾向兩岸山內(nèi)的，也有傾向河床的。右岸巖體更靠近與變質(zhì)巖的混熔接觸區(qū)，裂隙較左岸更為發(fā)育。3壩基巖體錯(cuò)動(dòng)裂隙滲水事故的處理措施與分析結(jié)論1962年出險(xiǎn)事故發(fā)生在右壩肩基巖裂隙突然大面積漏水，同時(shí)右岸各拱、垛位移增大，垛基上抬，拱、垛由于變形產(chǎn)生大量裂縫。1963年放空水庫(kù)進(jìn)行加固處理，主要措施為補(bǔ)強(qiáng)上游防滲帷幕，加強(qiáng)壩基固結(jié)灌漿，增加壩基排水孔，部份拱、垛空腔內(nèi)填筑混凝土重力墩或澆筑支撐混凝土，增加垛基預(yù)應(yīng)力錨索，壩身較大裂縫補(bǔ)縫，上游基巖裂隙灌漿等。1972年和1985年，分別對(duì)左岸4#和5#拱垛基進(jìn)行了灌漿止漏處理。1994年1997年，對(duì)兩岸帷幕進(jìn)行了帷幕補(bǔ)強(qiáng)。出險(xiǎn)事故與壩基地質(zhì)條件有關(guān)。地質(zhì)分析認(rèn)為，右岸建壩時(shí)清基不徹底，拱垛局部處在弱風(fēng)化巖體上；壩垛存在兩面臨空（下游、河床），岸坡較陡，垛間無(wú)橫向隔墻支撐，巖體具有滑動(dòng)空間；岸坡NNE和EW向裂隙發(fā)育，且透水性好，帷幕未完全封閉透水性裂隙，岸坡及壩基無(wú)有效排水設(shè)施，在持續(xù)高水位作用下，庫(kù)水位通過(guò)裂隙入滲，使陡傾裂隙面上的側(cè)向滲透壓力以及危險(xiǎn)滑動(dòng)面上的揚(yáng)壓力增大，當(dāng)滑動(dòng)力大于抗滑力后，引起事故發(fā)生。左岸2#垛基右側(cè)岸坡較陡，垛基緩傾角裂隙分布面積較大，存在地質(zhì)滑動(dòng)條件，后期進(jìn)行了重力墩和預(yù)應(yīng)力錨索加固，改變了穩(wěn)定條件。筆者對(duì)以上事故原因分析和加固處理措施，部分認(rèn)同，部分持質(zhì)疑態(tài)度。疑點(diǎn)如下。（1）右壩肩事故是突發(fā)性的，除了壩基抗滑力不足引起滑動(dòng)錯(cuò)位之外，尚存在幾何可變結(jié)構(gòu)瞬間位移的可能。本工程事故的本質(zhì)原因應(yīng)該是由大壩結(jié)構(gòu)在壩軸線方向上的穩(wěn)定性引起的。（2）對(duì)高水壓力誘因的可能性質(zhì)疑，原因是壩基為透水巖體，巖體中裂隙的排水性能是好的，垛墩是空腹結(jié)構(gòu)，揚(yáng)壓力對(duì)壩基的作用效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)體重力壩。（3）重力墩和預(yù)應(yīng)力錨索都是針對(duì)壩基的，對(duì)壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的加固效果甚微。（4）加固設(shè)計(jì)中的抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果并不足以說(shuō)明大壩和壩基結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，因?yàn)閴位蚝哟卜较蚧瑒?dòng)的主動(dòng)荷載并不像順?biāo)鞣较虻暮奢d那樣可以通過(guò)分析計(jì)算得出。在計(jì)算時(shí)，我們除了假定順壩軸線方向的地震荷載之外，你就幾乎很難再列出還有其他什么外荷載，這樣的計(jì)算結(jié)果其安全系統(tǒng)當(dāng)然很大，但你仍