水庫拱壩裂縫成因管理論文

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1工程概況及大壩開裂情況

大坂水庫位于漳平市永福鎮(zhèn)新安溪中游，是一座以發(fā)電為主，結(jié)合灌溉的綜合利用中型水利工程。壩址控制流域面積93km2，水庫總庫容1462萬m3，興利庫容1120萬m3，死庫容130萬m3。水庫正常蓄水位518.00m，P=2%設(shè)計洪水位520.95m，P=0.2%校核洪水位522.26m。大壩為100#漿砌塊石單心圓雙曲拱壩，最大壩高62.4m。

壩址兩岸基巖裸露，出露巖性主要為燕山早期的黑云母花崗巖，次為喜山期的石英斑巖。壩址區(qū)主要存在一條陡傾角F2斷層和一條f1裂隙性斷層。

該大壩于1985年5月開工興建，1989年5月水庫開始蓄水，1989年9月封頂。建成后歷史最高水位為519.99m（1996年8月1日），歷史最低水位約為479.00m（1998年12月）。2001年12月，水庫水位降至480.50m后，檢查中發(fā)現(xiàn)左岸上、下游面及壩頂均可見有一條沿徑向的貫穿性1#垂直裂縫，長約20m，縫寬約1mm～2mm，裂縫經(jīng)過處部分壩面砼預制塊也拉裂。另外在壩頂還發(fā)現(xiàn)11條小裂縫，左岸7條，右岸4條，長度小于1m，縫寬均為1mm以內(nèi)，且均未向下發(fā)展。未發(fā)現(xiàn)水平裂縫。對大壩進行水平和垂直位移觀測結(jié)果表明位移量很小，均在規(guī)范控制值范圍內(nèi)。大壩左岸拱端山體穩(wěn)定。裂縫位置示意圖見圖1。

圖1拱壩裂縫位置示意圖

2大壩應力復核

壩體采用100#細石砼砌塊石，上、下游壩面為100#水泥砂漿漿砌毛條石并深勾縫，施工時中上部壩面采用150#砼預制塊取代條石。壩體基礎(chǔ)采用0.5m厚150#砼墊層。砌石壩體不分縫。壩頂外緣弧長128.22m。中間溢流段外緣弧長50.19m。雙曲拱壩基本尺寸見表1。

表1拱壩基本尺寸表

高程(m)拱圈厚度(m)上游坐標(m)拱圈內(nèi)半徑(m)左中心角(度)右中心角(度)

522.42.600064.50559.450.1

518.03.700063.40559.249.8

512.24.0601.74058.11556.747.8

506.44.3213.30651.85453.646.4

500.64.8134.69843.96151.145.9

494.85.5735.91635.96448.645.4

489.06.3056.67029.65445.245.8

483.27.1817.13425.11244.544.5

477.48.2097.30821.57442.542.5

471.69.3467.13418.86941.041.0

460.012.0005.6849.80038.038.0

應力復核考慮的荷載組合為：

①基本荷載組合：正常蓄水位壓力+淤沙壓力+自重+均勻溫降；

②基本荷載組合：死水位水壓力+淤沙壓力+自重+均勻溫升；

③特殊荷載組合：校核洪水位水壓力+淤砂壓力+自重+均勻溫升；

④特殊荷載組合：死水位水壓力+淤沙壓力+自重+均勻溫降。

封拱溫度取多年平均氣溫20.3℃，氣溫年升幅7.7℃，年降幅9.7℃。應力分析采用全調(diào)整的改進多拱梁分載法軟件計算，主應力計算成果匯總表見表2。典型應力等值線圖見圖2。

主應力計算成果匯總表

表2單位：MPa

計算工況上游壩面最大主拉應力上游壩面最大主壓應力下游壩面最大主拉應力下游壩面最大主壓應力

工況①-1.11[6R0C]2.35[6R0C]-0.77[9R0C]3.79[7R-5C]

工況②-0.52[6R0C]1.73[6R-6C]-0.94[5R-7C]1.54[7R0C]

工況③-1.15[9R-3C]1.99[5R0C]-0.27[3R-9C]4.17[7R-5C]

工況④-1.67[1R11C]1.46[11R1C]-0.92[2R10C]1.37[7R0C]

從應力復核成果可以看出，工況①、工況②及工況③壩面的主應力值基本滿足規(guī)范要求，但特殊荷載組合工況④出現(xiàn)最大拉應力超標較多，即死水位遇溫降工況，最大拉應力達1.67MPa，出現(xiàn)在左岸壩頂上游拱端。其中1#裂縫處最大拉應力計算值約為0.6MPa。

圖2工況④上游面第一主應力等值線圖

3裂縫成因分析

大坂水庫拱壩是固接于基巖的整體結(jié)構(gòu)，壩身不設(shè)永久性伸縮縫。由應力復核成果及大壩沒有水平裂縫的跡象表明，本工程不是因為拱壩超載而開裂。通過對拱座基巖的詳細勘察及大壩位移觀測，未發(fā)現(xiàn)基巖有移動和變形跡象，可以排除本工程拱壩裂縫是由于拱座失穩(wěn)或基巖不均勻沉陷引起的。1#裂縫的發(fā)展方向為規(guī)則的垂直方向，裂縫經(jīng)過處灰縫及壩面石均開裂，據(jù)此可基本排除開裂是因壩體施工質(zhì)量引起的。

由于1#裂縫產(chǎn)生的時間是冬季枯水期，結(jié)合應力計算成果可以基本斷定開裂原因是由溫度應力造成的。由于大壩上部施工時段為6月～9月，實際封拱平均氣溫達26.8℃，冬季氣溫驟降后，溫降幅度遠比計算值9.7℃大，因此實際溫降應力比理論分析值更大。若根據(jù)施工實際氣溫情況來確定封拱溫度，對死水位遇溫降工況再進行應力計算，計算結(jié)果左岸上游壩頂拱端拉應力高達2.37MPa，已大大超過材料抗拉極限。其壩體應力等值線圖見圖3。

圖3按實際封拱溫度計算的上游壩面第一主應力等值線圖

理論分析溫度應力最大值位于拱端，而1#裂縫并不在拱端出現(xiàn)，而距拱端有一定距離，這是因為拱端處基巖會產(chǎn)生變形，使應力松馳；同時，在水壓等各種荷載迭加的條件下，實際拉應力最大值并不一定發(fā)生在拱端。壩頂拱厚最小，溫降荷載則最大，當超限拉應力出現(xiàn)后，沿拱軸產(chǎn)生的拉力使拱圈自頂向底徑向開裂。另外，砌石拱壩灰縫較多，建成后不可避免地有一個干縮過程。梯形河谷底面與斜坡的交叉點處，是干縮量由大變小的界線，其作用類似不均勻沉陷。由于壩址左岸489m高程以下壩基較陡，坡度達60°～70°，左岸上部相對較緩，坡度約45°～50°，壩基岸坡有突變現(xiàn)象。岸坡的突變使得砌縫干縮量產(chǎn)生較大差異，結(jié)果必然在頂部相當于它們之間界面的投影位置處，比較容易形成裂縫。這就是溫降造成的1#豎直裂縫，其位置接近于左岸下部岸坡變化點的原因。

4結(jié)論及裂縫修補措施

根據(jù)上述裂縫成因分析，導致本工程拱壩開裂的主要原因是水庫低水位時的氣溫驟降，因溫度應力超負荷引起的。由于砌石拱壩一般不設(shè)結(jié)構(gòu)縫，多采用均勻上升、層層封拱的施工方法，設(shè)計計算考慮的封拱溫度一般低于多年平均值，而夏季施工時，混凝土的入倉溫度及封拱溫度較難控制，造成實際溫降應力大大高于計算值。許多經(jīng)歷夏季施工的砌石拱壩在第一個冬季后就有不同程度的開裂。

本工程拱壩出現(xiàn)較大拉應力主要出現(xiàn)在水庫水位較低時，拉應力較大區(qū)域也主要分布在大壩上部兩岸拱端，一般不致引起較大滲漏。當庫水位較高時，在外荷作用下，拱的內(nèi)力以壓為主，有的小裂縫還會在水壓力作用下會自行閉合。壩體開裂后形成的二次拱，也會阻止裂縫的發(fā)展。因此單純由溫度應力造成的裂縫危害性并不大。

本工程1#裂縫規(guī)模較大，且已形成通縫，為防止拱壩應力重分配后出現(xiàn)局部應力惡化，出現(xiàn)新的裂縫，必須對1#裂縫進行必要的修補。修補時間應在冬季氣溫較低時進行，否則冬季仍有可能會拉裂張開。

修補方法借鑒安徽清風巖水電站拱壩裂縫修補的成功經(jīng)驗，采用先補后灌的施工方法。通過防滲，防止裂縫因射水而擴張；通過內(nèi)部補強灌漿，恢復拱壩拱向承載條件。具體方法簡述如下：先沿裂縫開槽，在開好的槽上騎縫布設(shè)灌漿管，間隔1.0m～1.5m左右。在上游面裂縫中嵌入GBW遇水膨脹橡膠止水條，再用聚合物柔性砂漿將槽封閉，下游槽埋設(shè)灌漿管后，直接用聚合物柔性砂漿封槽。封槽后2～3天，對裂縫進行灌漿處理。灌漿水泥漿液中摻入適量微膨脹劑，使?jié){液在硬化過程中產(chǎn)生微膨脹以補償水泥的收縮效應，提高與被灌體的粘結(jié)抗?jié)B性，從而恢復壩體的整體性。灌漿壓力為0.2MPa。灌漿順序為：先上游縫后下游縫，自下而上施灌。

2002年底，大坂水庫管理處對壩面裂縫進行灌漿處理后，水庫蓄水位開始回升，水庫重新發(fā)揮了效益。