水電站大壩裂縫對工程正常使用的影響

□李 欣 □劉榮華 □賈敬云（板橋水庫管理局）

水電站大壩裂縫對工程正常使用的影響

□李 欣 □劉榮華 □賈敬云（板橋水庫管理局）

目前國內(nèi)砌石拱壩中出現(xiàn)裂縫的情況較多，大多數(shù)拱壩在出現(xiàn)裂縫后通常是對裂縫進(jìn)行灌漿處理后繼續(xù)運(yùn)行，并且極少拱壩出現(xiàn)失事現(xiàn)象。文章從裂縫產(chǎn)生的成因及裂縫經(jīng)過處理后對大壩正常運(yùn)行影響方面進(jìn)行了分析。

砌石拱壩；裂縫；成因；應(yīng)力分析；超靜定

一、裂縫成因分析

為分析裂縫產(chǎn)生的原因，計(jì)算了水庫空庫+溫降（-5℃）（設(shè)計(jì)溫降工況為多年平均日最低氣溫1月份為7.7℃）運(yùn)行工況的壩體應(yīng)力情況，由于建筑大壩用的混凝土水灰比達(dá)到0.69(試驗(yàn)結(jié)果)，大大高于規(guī)范要求的0.5～0.6的要求，壩體的線脹系數(shù)取0.0000090（原設(shè)計(jì)取0.0000080），封拱溫度按實(shí)際施工時(shí)平均溫度選取，計(jì)算氣溫驟降（-5.0℃）+空庫時(shí)壩體主應(yīng)力。

由計(jì)算知，在氣溫驟降（-5℃，大大低于設(shè)計(jì)溫度7.7℃）及空庫情況下，兩壩肩的拉應(yīng)力較大，最大值為2.7MPa［2R，-7C］，且拉應(yīng)力區(qū)范圍較廣，兩壩肩拉應(yīng)力呈全斷面分布，且上游面普遍大于下游面，而且可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)生裂縫位置較為吻合，由此，可得出裂縫產(chǎn)生的原因。

引起壩體頂部豎向裂縫的主要原因是溫度荷載，即拱壩在空庫（或低水位）+溫降情況下運(yùn)行是產(chǎn)生壩頂裂縫的最不利荷載組合，而且該段壩體施工時(shí)最高溫度達(dá)27.1℃，平均溫度達(dá)到21℃，而短歷時(shí)寒潮最低溫度為-2～-5℃，最大溫差超過20℃，而且壩頂厚度又較薄，壩體溫度很快降至當(dāng)時(shí)氣溫，實(shí)際產(chǎn)生的拉應(yīng)力往往會大于計(jì)算值，從而在寒潮作用下產(chǎn)生近壩頂豎直裂縫。

二、裂縫處理方案

裂縫產(chǎn)生后，設(shè)計(jì)人員根據(jù)踏勘情況，提出了裂縫處理方案，裂縫將采用化學(xué)材料嵌縫和水泥灌漿相結(jié)合的處理方法。

灌漿施工流程為:鑿槽→嵌縫→鉆孔→沖洗→灌漿→封孔。

鑿槽：對壩體裂縫進(jìn)行鑿槽，鑿槽成三角形，槽上口寬4cm左右，槽深3～4cm，壩體裂縫兩端各延伸0.5cm。

嵌縫：嵌縫采用環(huán)氧樹脂，先對壩體裂縫鑿槽內(nèi)刷一道環(huán)氧樹脂液，然后用配制好的環(huán)氧樹脂嵌縫，用榔頭敲擊嵌補(bǔ)的環(huán)氧樹脂并用刮刀刮平。

鉆孔：在大壩下游面沿裂縫兩側(cè)交錯(cuò)水平鉆斜孔，孔距2.0m，孔徑為φ40。

沖洗：采用高壓水對鉆孔進(jìn)行沖洗，并檢查各孔是否串通，沖洗壓力為灌漿壓力的80%。

灌漿：灌漿時(shí)空氣溫度下＞10℃，灌漿采用孔口循環(huán)灌漿法，灌漿壓力為0.25MPa，灌漿材料為525#普通硅酸鹽水泥。

封孔：從大壩底部往上灌漿，待全部孔出漿且堵塞全部孔后不吸漿才結(jié)束灌漿進(jìn)行封孔。

三、裂縫存在對工程正常使用的影響

左右壩肩壩頂豎直裂縫一般冬開夏閉，隨氣溫的年變化而開合，隨庫水位高低變化而合開，水庫在低水位或空庫時(shí)，又遇更冷的氣溫時(shí)原有裂縫往往擴(kuò)展延伸或在其他部位又發(fā)生新的裂縫，因此，還必須注意兩壩肩發(fā)生新裂縫的可能性。

這種裂縫僅相當(dāng)于水庫在低水位或空庫運(yùn)行時(shí)恰縫冬季，壩體近壩頭處又分了一條橫縫，沒有灌漿，而此時(shí)庫水位又低，漏水問題不突出，隨著庫水位的上升和氣溫升高，該裂縫又會自動閉合，即使出現(xiàn)滲水，也不會影響到其傳遞壓應(yīng)力的功能，拱壩還能繼續(xù)工作，該種裂縫又稱“活縫”。這種裂縫對壩體正常工作的危害性不大。另外，考慮到拱壩是一種高次超靜定結(jié)構(gòu)，它在周邊的嚴(yán)格約束下，對于超載或變形的反映十分敏感，局部應(yīng)力集中立即會引起開裂，然而這種開裂也可以說是結(jié)構(gòu)放松約束來調(diào)整內(nèi)力以適應(yīng)變化的正常反映。拱壩在破壞以前必定存在一個(gè)不斷開裂，不斷靜定化的過程。在尚未達(dá)到嚴(yán)重開裂以前，拱壩高次超靜定結(jié)構(gòu)的潛力沒有完全發(fā)揮，因而不會影響壩的安全運(yùn)行。

為進(jìn)一步分析裂縫存在對工程正常使用的影響，對拱壩在灌漿前、后分別作應(yīng)力分析，計(jì)算工況增加空庫+溫降和空庫+溫升兩種工況（灌漿后）。應(yīng)力分析時(shí)，封拱溫度選擇：灌漿前封拱溫度選擇設(shè)計(jì)封拱溫度+裂縫寬度相對應(yīng)的溫度升高值（由于壩體的線脹系數(shù)為0.0000090，簡單認(rèn)為壩體裂縫1.0mm相當(dāng)于壩體封拱溫度升高9.0℃）；灌漿后封拱溫度選擇灌漿時(shí)的溫度，裂縫灌漿前、后的拱壩應(yīng)力計(jì)算成果（略）。其中裂縫灌漿前由于溫降和低水位工況時(shí)壩體收縮，裂縫產(chǎn)生后，壩體應(yīng)力已重新分布，所產(chǎn)生的拉應(yīng)力大部分釋放掉了，所計(jì)算得到的應(yīng)力成果不能反映壩體的實(shí)際應(yīng)力分布，因此裂縫灌漿前不計(jì)算空庫工況的應(yīng)力。

上述計(jì)算表明，裂縫灌漿前，在各種工況局部出現(xiàn)了應(yīng)力超標(biāo)現(xiàn)象，而裂縫經(jīng)過灌漿處理后，拱壩應(yīng)力均滿足規(guī)范規(guī)定的要求（拱冠梁1.5MPa，拱及其它部位1.40MPa），因此，該裂縫應(yīng)進(jìn)行灌漿處理，以滿足工程正常運(yùn)行要求。

四、結(jié)語

由溫降+低水位（空庫）運(yùn)行為主要原因而產(chǎn)生的壩頂近豎向裂縫是國內(nèi)砌石拱壩中出現(xiàn)的最常見裂縫，這一方面在拱壩設(shè)計(jì)中對某些不利荷載難于確切預(yù)計(jì)，壩的材料特性和壩基的地質(zhì)條件難于完全掌握，同時(shí)也說明拱壩可以通過自身結(jié)構(gòu)調(diào)整，利用高次超靜定結(jié)構(gòu)這種安全儲備來彌補(bǔ)設(shè)計(jì)的不足，開裂正是這種自身結(jié)構(gòu)調(diào)整的早期征兆。對這種裂縫，只要重視監(jiān)控檢查，掌握其變化規(guī)律，可以適時(shí)修補(bǔ)，繼續(xù)運(yùn)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全國1700多座已建的拱壩中，真正導(dǎo)致水庫潰壩失事的只有2座，可見，拱壩與其他壩型相比，其具有良好的安全性。因此，對拱壩出現(xiàn)裂縫情況要辨證的看待，既不能掉于輕心，也不要過于緊張，重要的是要客觀分析裂縫產(chǎn)生的原因及根據(jù)原因提出解決問題的方案。

2010-05-21