梅山水庫混凝土連拱壩裂縫分析

劉和斌

（安徽省水利部淮河水利委員會 水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

梅山水庫混凝土連拱壩裂縫分析

劉和斌

（安徽省水利部淮河水利委員會 水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

梅山水庫混凝土連拱壩1955年1月開始澆筑，1956年1月建成，1958年初開始蓄水運行。大壩運行50多年來，混凝土的裂縫自始至終長期存在，且數(shù)量眾多，削弱了結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，影響壩體安全，雖進(jìn)行了多次修補(bǔ)處理，但始終未消除隱患。本文對裂縫現(xiàn)狀及危害、歷次修補(bǔ)處理情況、形成原因進(jìn)行詳細(xì)敘述。

水庫；連拱壩；混凝土；裂縫

1 基本情況

梅山水庫于1950年開始進(jìn)行地質(zhì)勘察，樞紐工程于1954年3月動工興建，1955年1月開始澆筑大壩混凝土，1956年1月建成，1958年初開始蓄水運行。

大壩壩址位于金寨縣梅山鎮(zhèn)上游約1km處的狹窄河段，河床寬約180m，兩岸山坡原地形坡度約40°～45°，壩軸線近東西向。攔河壩為鋼筋混凝土連拱壩，由15個垛和16個拱所組成，兩端各接重力壩和空心重力壩段，大壩全長443.5m（其中連拱壩段軸線長311.5m），壩頂高程140.17m，防浪墻墻頂高程141.27m,最大壩高88.24m。每個垛由左右兩片側(cè)墻、上下游面板和內(nèi)部隔墻連接而成的空腹薄壁結(jié)構(gòu)，其上游壩面坡度為1∶0.9，下游壩面坡度為1∶0.35，垛前寬度6.5m（3#～13#垛，其他垛6.0m），各垛中心距20m。連拱壩的拱采用半圓拱，其下游面半徑6.75m，中心角180°。1#～16#拱和1#～15#垛從左至右依次排列，相間布置，左右岸為重力壩。拱垛之間、拱與兩岸重力壩之間結(jié)合面為經(jīng)鑿毛處理的建筑縫。在垂直于上游面坡度方向的同一平面內(nèi)，各拱的厚度是相等的，它們的厚度變化規(guī)律是：在壩高0～5m（自垛的三角形頂點139.87m向下計算，以此類推），拱厚0.6m，以下每下降5m，拱厚增加0.075m，至25m處，拱厚為0.88m，再向下每下降5m，拱厚增加0.1m，至65m處，拱厚1.7m，再向下每下降5m，拱厚增加0.15m，至85m處，拱厚2.3m。連拱壩的兩側(cè)垛墻上薄下厚，同一水平面內(nèi)，近上游厚而下游薄，厚度變化規(guī)律為：在上游面壩高0m處厚度為0.56m，以下每下降5m增加0.08m，至25m處厚0.9m，至85m處厚由0.9m變化至2.55m。上游面板亦為上薄下厚，厚度為0.7～2.55m。

2 混凝土連拱壩裂縫現(xiàn)狀及危害

2.1 裂縫現(xiàn)狀

經(jīng)長期觀測并統(tǒng)計壩身現(xiàn)共有529條裂縫，其中貫穿性裂縫有139條，占總數(shù)的26%；縫長大于5m的裂縫102條，占19%；縫寬大于1mm的有36條，占7%；有滲水的裂縫133條，占25%。裂縫的發(fā)現(xiàn)時段為：建壩初期至1962年事故前191條，1962年至1966年173條，1966年至1990年147條，1990年至2001年18條。從裂縫發(fā)展看，壩身裂縫發(fā)生逐年減少，1992年以來未出現(xiàn)新的裂縫，原有裂縫基本沒有發(fā)展，開度變化基本穩(wěn)定。滲水點和滲水量受庫水位影響，庫水位上升，滲水點增多，滲水量略有加大。

壩體裂縫主要分布在兩岸坡的拱垛（1#～4#、13#～15#）和河床各垛的上游面板上。拱上裂縫主要集中在底拱的斜拱面上，裂縫走向大致與混凝土基巖接觸面垂直，部分裂縫向拱冠延伸，左右兩側(cè)（1#拱和15#拱）各有一條大裂縫都已通到壩頂，越是長期暴露在空氣中的拱，混凝土面上裂縫越多。垛墻上裂縫，岸坡垛主要分布在左右垛墻及上游面板上，河床垛主要分布在上游面板上，一般以拱上第一條伸縮縫45°左右斜下延伸，形成垛頭縫，此縫在拱垛接頭處滲水。兩岸相比，左岸垛墻上裂縫嚴(yán)重，尤以2#垛明顯；右岸垛上游面板裂縫嚴(yán)重，且一般屬貫穿性滲水裂縫，尤以14#垛上游面板嚴(yán)重。由拱筒75.18m高程伸縮縫起裂引起的河床上游面板約在高程73m處產(chǎn)生的水平縫，亦為貫穿性滲水裂縫?？锥粗車捎趹?yīng)力集中普遍出現(xiàn)徑向裂縫。

根據(jù)在測裂縫資料過程線看，裂縫開度年變幅不大于1mm。

2.2 裂縫危害

從裂縫的規(guī)模和受力狀況看，15#拱冠大裂縫和1#拱下游左側(cè)裂縫都已通到壩頂，其中15#拱拱冠中央裂縫長達(dá)28m，最大縫寬20mm，據(jù)1991年探查得知裂縫影響深度約30～50cm，基本達(dá)到拱厚的一半，破壞了拱圈的整體性，在垛墻側(cè)向變位作用下，拱的受力條件明顯惡化。3#垛的垛尾裂縫全長35m，縫寬達(dá)2mm，1#、2#、4#、15#垛都有規(guī)模較大的裂縫，破壞了垛墻的整體性，易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生新的裂縫。

大壩拱垛裂縫眾多，已發(fā)現(xiàn)500余條，特別是1#～4#拱垛、13#～15#拱垛裂縫嚴(yán)重，削弱了結(jié)構(gòu)整體性和耐久性，影響壩體安全。

3 裂縫歷次修補(bǔ)處理

大壩裂縫修補(bǔ)分為五個階段：第一階段是1955～1958年，大壩正常蓄水運行前；第二階段是1963～1965年，放空水庫加固大壩階段；第三階段是1971～1973年，水庫經(jīng)受1969年大洪水考驗后；第四階段是1975～1978年，河南發(fā)生“75·8”洪水后；第五階段是2008年，大壩除險加固階段。

3.1 第一階段修補(bǔ)處理

1955年大壩施工期已發(fā)現(xiàn)大小裂縫32條，1955年汛期庫水位95.71m時，發(fā)現(xiàn)壩身有30處滲水，當(dāng)年即對漏水裂縫進(jìn)行了補(bǔ)縫和噴漿處理。第一階段修補(bǔ)裂縫總長272m，采用瀝青和噴漿，對于不漏水縫采用錨錠噴漿法修補(bǔ)。

3.2 第二階段修補(bǔ)處理

水庫自1958年蓄水后，庫水位逐步上升，1962年9月28日上升到125.83m，大壩工作狀況正常，11月6日凌晨1時許，右岸壩基裂隙內(nèi)突然發(fā)生大面積漏水，庫水位回落到124.87m，與此同時右岸各拱、垛位移增大，垛基上抬，拱、垛由于變位產(chǎn)生大量裂縫。1963年放空水庫，對整個壩體裂縫進(jìn)行了修補(bǔ)，主要采用瀝青砂漿、鑿槽塞瀝青麻絲，并配置加強(qiáng)鋼筋，對一些未貫穿的裂縫僅涂0.5m寬瀝青瑪蹄脂兩道，對抗拉強(qiáng)度要求高的采用環(huán)氧樹脂修補(bǔ)。

3.3 第三、四階段修補(bǔ)處理

第三階段、第四階段主要在大壩的下游面進(jìn)行修補(bǔ)，材料選用環(huán)氧樹脂，方法及設(shè)備與第二階段相同。

3.4 大壩除險加固階段修補(bǔ)處理

2002年4 月由安徽省水利廳組織對梅山水庫大壩進(jìn)行了安全鑒定，評定大壩安全類別為三類壩，提出了對大壩進(jìn)行加固處理的意見和建議。對連拱壩拱垛裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，岸坡拱采用噴射鋼纖維混凝土并配置受力鋼筋網(wǎng)加固，垛采用現(xiàn)澆鋼纖維混凝土或現(xiàn)澆鋼筋混凝土及配置受力鋼筋加固，并在垛內(nèi)上游底端高應(yīng)力區(qū)采用微膨脹混凝土填充加固。

大壩拱面、垛墻及面板上裂縫種類較多，根據(jù)滲水情況和裂縫寬度大小分類采取不同的處理方法在大壩的下游進(jìn)行修補(bǔ)處理。

（1）縫寬＜0.4mm的不滲水裂縫：將縫表面沖洗干凈后，在跨縫兩側(cè)各200mm范圍內(nèi)，先涂XPX（塞柏絲）濃縮劑一層，再涂XPX增效劑一層。

（2）縫寬≥0.4mm的不滲水裂縫：采用開槽（把裂縫處挖呈25mm寬、40mm深的“U”型槽）、清潤（清理與濕潤）、刷漿（把XPX濃縮劑灰漿在槽內(nèi)和沿槽口兩側(cè)各150mm寬范圍涂一層）、填縫（用XPX濃縮劑半干料團(tuán)填滿）、養(yǎng)護(hù)（在三天內(nèi)定期用霧狀水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)）的程序處理。

（3）有滲水的裂縫：采用開槽（把裂縫處挖呈25mm寬、40～70mm深的“U”型槽）、分壓（在槽中水流最大的地方鉆孔裝導(dǎo)管引水分壓）、埋設(shè)灌漿咀排氣管（沿裂縫走向布置鉆孔，將灌漿嘴、排氣管插入孔中）、封縫試壓（用XPX半干料團(tuán)封縫并用壓縮空氣檢查裂縫封閉情況）、制漿注漿（采用水泥或改性環(huán)氧樹脂等材料配制漿液按注漿程序注漿）、封堵（去除灌漿咀、割斷排氣管及導(dǎo)水管后用環(huán)氧膠泥或XPX修補(bǔ)堵漏劑半干料團(tuán)補(bǔ)平）、養(yǎng)護(hù)的程序處理。

4 裂縫形成原因淺析

混凝土裂縫產(chǎn)生的原因是多方面的，情況較為復(fù)雜，綜合因素較多。對于某種裂縫的出現(xiàn)，人們很難給予一個準(zhǔn)確明晰的原因分析。通過對梅山水庫裂縫分布及出現(xiàn)的時段分析，裂縫形成的原因主要來自四個方面：施工裂縫、沉降裂縫、溫度裂縫和干縮裂縫。

4.1 施工裂縫

梅山水庫1955年1月開始澆筑大壩混凝土，1956年1月建成，1955年大壩施工期已發(fā)現(xiàn)大小裂縫32條。因施工期溫度較低，且連拱壩屬薄殼結(jié)構(gòu)，外形尺寸較大，臨空面多，保溫措施跟不上，加之兩岸邊坡巖石地基不均勻沉降和混凝土強(qiáng)度較低的影響因素等，導(dǎo)致施工期裂縫。

4.2 沉降裂縫

梅山水庫壩體裂縫主要分布在兩岸坡的拱垛（1#～4#、13#～15#）上，拱上裂縫主要集中在底拱的斜拱面上，裂縫走向大致與混凝土基巖接觸面垂直。兩岸邊坡壩基為細(xì)?；◢弾r結(jié)構(gòu)，巖體裂隙發(fā)育，裂隙多于3組，部分裂隙長度超過10m，有碎石及高嶺土充填，有錯動或滑動傾向，勢必造成混凝土大壩不均勻沉降，從而形成沉降裂縫。

4.3 溫度及干縮裂縫

梅山水庫大壩混凝土裂縫尤以長期暴露在空氣中的拱和垛上游面板較多。其主要原因還是因連拱壩屬薄殼結(jié)構(gòu)，外形尺寸較大，臨空面多，長期的溫度變化荷載對結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形影響較大，加之建壩初期混凝土自身干縮變形的影響，出現(xiàn)了長期暴露于空氣中壩體混凝土的裂縫。

5 結(jié)語

梅山水庫運行50多年期間，分不同階段對裂縫進(jìn)行了修補(bǔ)處理。從裂縫發(fā)展看，壩身裂縫發(fā)生在逐年減少，1992年以來未出現(xiàn)新的裂縫，原有裂縫基本上沒有發(fā)展，開度變化基本穩(wěn)定。從長期觀測資料分析，混凝土的裂縫自始至終長期存在，削弱了結(jié)構(gòu)整體性和耐久性，2008年再次對大壩進(jìn)行了除險加固，對裂縫進(jìn)行了修補(bǔ)處理，并對一些反應(yīng)明顯的裂縫埋設(shè)了測縫計。

除險加固工作基本消除了大壩的險情，考慮到長期的溫度變化荷載或其他因素仍然會對裂縫產(chǎn)生影響，必須加強(qiáng)觀測，及時發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問題并研究處理辦法

劉和斌（1964-)，男，高級工程師，主要從事水工程質(zhì)量檢測與研究工作。

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