水利工程论文-关于梅山连拱坝结构稳定性问题的探讨.doc

水利工程论文-关于梅山连拱坝结构稳定性问题的探讨摘要：梅山大坝建成运行数十年来，历经了20世纪60年代、70年代、80年代和90年代的多次除险加固，目前仍在进行新一轮的险除加固。梅山连拱坝传递荷载的型式具有桥墩式结构特征，但又远比桥墩式荷载更为复杂。特别是两岸坝肩垛基(支墩地基)，地形上具备向下游和河床两个方向的位移临空空间；垛基岩体中存在倾向河床方向的缓倾角结构面和顺河走向陡倾裂隙，构成了垛基双向滑移的边界条件。更为特别的是，垛墩（桥墩）直接建于斜坡岩体之上，并未进行必要的嵌入式结构处理，部分垛墩与地基呈阶梯式接触，建筑物与地质体之间的连接表现为既可以转动又可以移动的可动铰支座型式，从而构成了大坝结构稳定性的重大隐患。1962年发生右岸坝基位移导致坝体裂缝已经足以说明以上缺陷的存在事实。关键词：梅山大坝除险加固结构稳定连拱坝超静定1前言梅山大坝以其独特的坝体结构型式而闻名于世，并被收录入水工建设物教科书。梅山大坝又以其运行期的坝基错动渗水成为国内著名的病险大坝，令后人为此进行除险加固而绞尽脑汁费尽心机。更为令人称奇的是，大坝属于设计十分先进的轻型空间高次超静定结构，但却在没有计算机的20世纪50年代，完全靠拉计算尺这样的手工劳动完成了设计任务，并将大坝顺利建成，这在大坝设计史上并不多见。自然，当年的大坝设计者们荣登当今设计大师宝座，成为我等小字辈工程技术人员的追星偶像，确属当之无愧。笔者求学时对梅山大坝略有所知，在其后的工作中聆听过前辈专家作为工程实例的分析介绍，而真正一睹这一工程偶像的雄姿风采，则是在有幸参加该工程除险加固初步设计审查工作的2003年。工作期间，笔者除了例行公事从工程地质专业角度去分析理解坝基地质结构缺陷与处理措施可行与否之外，更多的是在虔诚地领悟大师们的设计思想，认真地体会在当时条件下如此复杂结构的设计原则、力学简化和计算方法，惊叹大师作品的精妙之处，崇敬大师们的设计胆略和创新气魄！一番激情之后，笔者思考得更多的是坝基地质结构和大坝受力特征之间的关系，试着去分析大坝的结构稳定性问题。根据笔者仅有的一点力学知识，认为该大坝存在结构不稳定性隐患，故撰写此拙文斗胆质疑安全稳定性评价结论和除险加固工程的设计原则，全当学术交流、探讨和争鸣。抱着求知、请教和抛砖的态度，去探索、商榷和讨论有关工程技术问题，欢迎批判。本拙文绝没有任何其他贬义的意思，只是希望表明一种思考性地学习和研究权威经典作品的态度，谨此而已！2工程概况梅山水库是一座以防洪、灌溉为主，结合发电、航运及水产养殖等综合利用的大型水利枢纽工程。工程位于淮河支流史河上游的安徽金寨县境内。水库枢纽工程由拦河大坝、溢洪道、泄洪洞、放水底孔、发电站等建筑物组成。水库总库容22.64亿m3，电站总装机容量40MW。工程于1954年动工，1958年初开始蓄水运行，1962年11月，右岸坝基发生基岩错动大面积漏水事故，于1963年放空水库，对大坝和坝基实施加固处理，1966年5月加固结束，再次蓄水运至今。2002年4月，有关单位对该工程进行了安全鉴定，认为大坝抗震性能不满足安全运行要求；大坝裂缝严重；两坝肩的防渗性能存在不足，对大坝稳定不利；存在严重安全隐患。鉴定结论为三类坝。拦河大坝坝型为连拱坝（图1），属支墩坝类型，由15个支墩（垛）和16个拱组成（编号由左岸至右岸），最大坝高88.24m。坝址两岸地形具明显差异。左岸为凸岸，山体宽厚，坝肩上下游工程稳定安全范围区内无冲沟深切，4#支墩至1#支墩之间平均地形坡度35，坝顶高程以上地形较为平缓。右岸为河流冲刷岸，右坝肩岸坡较陡，上下游受冲沟锓蚀，形成临空面。坝基岩体为单一岩性的燕山期细粒花岗岩，呈岩株状产出，边缘与变质岩的接触带在右岸溢洪道附近，混熔接触。花岗岩体中发育三组原生冷凝节理，受后期多次构造作用，进一步发展为断层、剪节理或裂隙密集带。裂隙发育于各个方向均有存在，对工程稳定性影响较大的是与两岸岸坡交角较小的裂隙，有倾向两岸山内的，也有倾向河床的。右岸岩体更靠近与变质岩的混熔接触区，裂隙较左岸更为发育。3坝基岩体错动裂隙渗水事故的处理措施与分析结论1962年出险事故发生在右坝肩基岩裂隙突然大面积漏水，同时右岸各拱、垛位移增大，垛基上抬，拱、垛由于变形产生大量裂缝。1963年放空水库进行加固处理，主要措施为补强上游防渗帷幕，加强坝基固结灌浆，增加坝基排水孔，部份拱、垛空腔内填筑混凝土重力墩或浇筑支撑混凝土，增加垛基预应力锚索，坝身较大裂缝补缝，上游基岩裂隙灌浆等。1972年和1985年，分别对左岸4#和5#拱垛基进行了灌浆止漏处理。1994年1997年，对两岸帷幕进行了帷幕补强。出险事故与坝基地质条件有关。地质分析认为，右岸建坝时清基不彻底，拱垛局部处在弱风化岩体上；坝垛存在两面临空（下游、河床），岸坡较陡，垛间无横向隔墙支撑，岩体具有滑动空间；岸坡NNE和EW向裂隙发育，且透水性好，帷幕未完全封闭透水性裂隙，岸坡及坝基无有效排水设施，在持续高水位作用下，库水位通过裂隙入渗，使陡倾裂隙面上的侧向渗透压力以及危险滑动面上的扬压力增大，当滑动力大于抗滑力后，引起事故发生。左岸2#垛基右侧岸坡较陡，垛基缓倾角裂隙分布面积较大，存在地质滑动条件，后期进行了重力墩和预应力锚索加固，改变了稳定条件。笔者对以上事故原因分析和加固处理措施，部分认同，部分持质疑态度。疑点如下。（1）右坝肩事故是突发性的，除了坝基抗滑力不足引起滑动错位之外，尚存在几何可变结构瞬间位移的可能。本工程事故的本质原因应该是由大坝结构在坝轴线方向上的稳定性引起的。（2）对高水压力诱因的可能性质疑，原因是坝基为透水岩体，岩体中裂隙的排水性能是好的，垛墩是空腹结构，扬压力对坝基的作用效果远远低于实体重力坝。（3）重力墩和预应力锚索都是针对坝基的，对坝体结构稳定性的加固效果甚微。（4）加固设计中的抗滑稳定计算结果并不足以说明大坝和坝基结构是稳定的，因为坝基向河床方向滑动的主动荷载并不像顺水流方向的荷载那样可以通过分析计算得出。在计算时，我们除了假定顺坝轴线方向的地震荷载之外，你就几乎很难再列出还有其他什么外荷载，这样的计算结果其安全系统当然很大，但你仍