关于梅山连拱坝结构稳定性问题的探讨（韦港）

时间：2021-01-17 08:06:06　来源：柠檬阅读网本文已影响人

【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。认识到该工程出险的本质原因，工程加固才是可靠的。

【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间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工程作品的态度，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省金寨县境内。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，再次蓄水运行至今。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，坝身较大裂缝补缝处理，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，进行了两岸帷幕补强。

显然，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，岩体具有向下游和向河床方向的滑动空间；
岸坡NNE方向和EW方向裂隙发育，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性。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，但你仍然很难就此确认结构就是稳定的。例如，某些工程结构中的零杆件，虽然不受力，但却是结构稳定不可或缺的重要杆件，是不能被省去的。

（5）本工程除了从强度和变形这些常规性控制标准来要求之外，更重要的是从结构稳定性方面去考虑，这才是工程出险的本质原因，也是工程加固措施的正确方向。

对于以上质疑，我们可以从下面的结构稳定性分析中去理解和思考。

4 大坝结构稳定性分析与探讨

我们知道，实体重力坝的纵向（坝轴线方向）刚度远远大于横向刚度（垂直坝轴线方向），而支墩坝、空腹坝这一类坝型，与实体重力坝相差甚远。从梅山大坝整体受力条件看，属于大截面重力坝类型（图2，上游坝坡1∶0.9，下游坝坡1∶0.35），较实体重力坝（图3，n=0～0.3；
m=0.6～0.85）的横剖面要“肥”；
承受水荷载水平推力的能力是好的。梅山大坝的坝体结构为轻型框架式，上游坝面是溥壳连拱，因此又不同于实体刚性重力坝。此类坝型与实体重力坝相比较，总体上适应变形的能力要强一些（柔性大一些）。另一方面，承受拱推力的支墩（垛墩）又是空腹框架结构，拱与支墩之间为刚性联接。如此结构使得组成大坝的每一个构件以及构件之间又都是刚性的。这里存在的疑问是，大坝与地质体之间的连接是什么性质的？

我们首先来看连接部位是什么结构。大坝支墩是将大坝承受的所有外荷载传递给坝基的惟一结构体，支墩的空间几何形态是一个有一定厚度的三角形平板，常识告诉我们，此类平板构件的刚度和稳定性将主要取决于该结构与其他结构的联接型式。可以认为，支教在大坝横剖面方向（平行水流）上，其刚度和稳定性是好的，而在大坝纵轴线方向上，显然不如前者。以此分析，我们就可以把大坝的结构稳定性的溥弱环节定位在大坝纵轴线方向的支墩稳定性问题上。

墩构件的上部与拱相连接，下部与地基连接，根据结构的力学简化原则，可以将支墩在平行坝轴线方向上看成为杆件，杆件与地基的连接应为固定支座、固定铰支座和可动铰支座这三种型式中的一种（图4）。从坝肩剖面图上分析（图5、图6），支墩与地基之间的连接是可以转动的，同时还具有向河床方向的移动空间（地质体中有倾向河床方向的不利结构面，支墩与地基的接触面在水平方向由磨擦力提供约束），其连接型式应为既可以转动又可以移动的“可动铰支座（图4b）”。这样一来，整个大坝的结构就成为上游坝坡面与各支墩之间为刚性约束，而各支墩与坝基地质体之间为可动铰支座连接，大坝在坝轴线方向上是一个几何可变体，显然存在重大结构不稳定性隐患，相当于我们脚下穿着滚轴冰鞋，你只要不是溜冰高手，其安全感将是您永远放心不下的最大担忧。

综上分析，笔者认为本工程事故的原因除了勘测设计单位分析的原因之外，最为本质的原因是由于大坝结构在纵轴线方向上存在构造缺陷，支墩杆件在底部没有其他杆件互相连接，地质体对支墩除了垂直反力约束之外不能充分地提供其他自由度方向上的有效约束，致使大坝在纵轴线方向上成为几何可变体，至少也是一个几何瞬变体系，为大坝留下了结构稳定性的重大缺陷。由于突发性未知荷载的一触即发，导致结构局部突然位移，拉开地基岩体，高压水流乘虚而入，事故终于不可避免地展示在我们的面前。

5 大坝支墩结构加固措施的探讨

目前的大坝支墩结构型式，我们从图6中可以看到，部分拱、垛空腔内已经在前期加固时填筑了混凝土重力墩或浇筑了支撑混凝土，增加了垛基预应力锚索，实际上的右坝肩部分支墩与地基的连接型式已经从可动铰支座（图4b）转化为固定支座（图4c）型式，从而保证了右坝肩在出事加固后数十年来的运行稳定，可见此类加固措施是可行的。

我们再来看图5，左坝肩大坝支墩与地基的连接是可动铰支座（图4b）型式，是本工程的最大隐患。参照右坝肩加固型式（图6）应该也是可行的，或者说是必要的。两岸对称加固，结构型式相同，刚度一致，有利于大坝受力条件的平衡协调，这也是笔者的建议加固型式。

现在的问题还没完，河床部位的支墩要不要加固？笔者认为不但需要而且必要！原因是这些部位的支墩与地基的连接仍然还是可动铰支座（图4b）型式，仍然是大坝稳定的心腹之患！但是否需要参照两坝肩的结构型式进行加固？回答是原则上可行，但也可以考虑其他型式，这就是笔者推荐的固定铰支座（图4a）型式。

要将河床部位的支墩与地基的连接型式加固成固定支座（图4c），只有填筑大体积混凝土，技术难度不大但工程量较大，是否必要还可以商榷。笔者认为较为可取的是加固成固定铰支座的型式（图4a）。原则上讲，所有支墩与地基的接触都应考虑图4a这种型式，其优点是既可以保证结构的稳定性，又不是刚性约束，适应变形的能力更好一些。换句话说，我们只要将所有支墩与地基的连接型式加固为固定铰支座型式，就完全可以将大坝在坝轴线方向上从几何可变体转化为几何不变体，大坝整体结构就是稳定的。但右岸早已按固定支座加固，为了使结构对称，确保受力平衡，因此本文建议左岸加固型式同右岸。而对于河床部位，则完全可以另行考虑。如果建坝时对支墩没有考虑固定支座的结构措施，则按图4c型式加固反而不利，因为固定支座将产生转动约束，使得支墩在底部附近产生较大弯矩，此类能够回避的问题尽可能地回避是可取的。

至此，结构加固方案已见雏形，只要将河床部位的支墩以横杆、斜杆这种连杆相连接就可以了。增加的横杆和斜杆可以是钢架、钢筋混凝土横梁等，设计师们有的是办法，在此就不再多卖弄了。

6 结语

梅山大坝自建成运行数十年来，一直在除险加固，有可能没有找到本质病因，也有可能担心触及到本质病因。笔者在此斗胆张扬，纯属个人弱智行为。思考、探索、讨论、争鸣、商榷和请教，是本文的出发点和核心准则。最近有名人言语：一致认为、一致通过、一致…，是危险的！特别是技术学术问题，有些相反的声音不一定是坏事。笔者将此名人各言据为撰写本文的借口，见笑！

本文所引用的梅山工程技术资料，来自于对《安徽省梅山水库除险加固工程修正初步设计报告》和《安徽省梅山水库除险加固工程修正初步设计报告工程地质勘察报告》的剽窃，谨此谢罪！

参考文献：

[1]大连工学院，天津大学. 结构力学. 北京：人民教育出版社，1981

[2] 天津大学. 水工建筑物. 北京：水利电力出版社，1983