永嘉縣十八壟砌石拱壩裂縫成因分析及橫縫設(shè)置的探討

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(永嘉縣水利水電勘測設(shè)計院,浙江 溫州 325100)

1 工程概況

十八壟砌石拱壩位于永嘉縣烏牛街道境內(nèi),壩址以上集雨面積1.35 km2,大壩為C15細石混凝土砌塊石單曲拱壩,壩頂高程447.00 m,防浪墻頂高程448.20 m,最大壩高21.00m,壩頂中心線弧長65.66 m,頂厚2.00 m,底厚4.60m,厚高比0.219,拱圈最大中心角85.5°,采用不設(shè)橫縫、整體上升砌筑。該工程于2003年11月動工,2004年6—10月為避開高溫時段施工,暫停施工約5個月,2004年12月中旬主體工程完工,水庫沒有蓄水,處于空庫運行狀況。

2004年12月 25—28日氣溫為9℃左右,2004年12月28日至2005年1月3日氣溫連續(xù)下降至2.2～-4.1℃,1月4日氣溫驟升,最高溫度達到16.5℃,2005年1月4日施工單位發(fā)現(xiàn)大壩左右岸出現(xiàn)豎向裂縫。根據(jù)現(xiàn)場檢查,大壩左右壩端縫基本對稱,裂縫寬度1～2mm。左岸2條裂縫,均為貫穿縫,距壩軸中心線分別為18.13,27.77m,裂縫范圍分別為高程448.2～437.6,448.2～442.9 m;右岸2條裂縫,其中一條裂縫上下游貫穿,距壩軸中心線22m,范圍為高程448.2～433.4m,另一條裂縫位于溢流堰導(dǎo)墻下,由壩基向上發(fā)展至一定位置消失(見圖1)。

圖1 拱壩下游裂縫分布示意圖

2 裂縫成因分析及處理

2.1 壩體應(yīng)力還原分析

根據(jù)實際情況,重新計算了水庫空庫+溫降工況時壩體應(yīng)力情況,封拱溫度取施工單位提供的施工日記中的實際施工時平均溫度,計算成果見表1。

表1 氣溫驟降+空庫時壩體應(yīng)力計算成果表

由表1可知,在氣溫驟降 (-4.1℃,設(shè)計工況平均溫度為9.2℃)+空庫工況下,兩壩肩最大拉應(yīng)力為2.35 MPa[1R,6C].,拱冠梁最大拉應(yīng)力為1.66MPa,均遠超過規(guī)范允許值,且超允許拉應(yīng)力區(qū)分布較廣,主要分布在兩岸壩肩430.0m以上高程和下游面435.0m以下高程的拱冠梁位置。

2.2 裂縫成因分析

根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果、裂縫產(chǎn)生的時間、位置及走向分析,結(jié)合國內(nèi)其他類似工程經(jīng)驗,歸納主要原因有以下幾個方面:

(1)該工程地質(zhì)條件對稱,壩基開挖輪廓線較平整,無突變,不存在應(yīng)力局部集中現(xiàn)象。根據(jù)應(yīng)力分析和裂縫產(chǎn)生的時間、位置分析,裂縫產(chǎn)生的主要原因是由于壩體內(nèi)溫度變幅過大,產(chǎn)生的溫度拉應(yīng)力遠超出設(shè)計值,且壩體較薄從而導(dǎo)致壩體被拉裂。溫度荷載一般占拱壩總荷載的30%左右,是砌石拱壩應(yīng)力控制邊界條件之一。據(jù)永嘉氣象局記錄,2005年1月4日前后,日夜溫差較大,白天氣溫在+16℃左右,夜晚降至-4℃左右,而該工程地處山區(qū),海拔較高,日夜溫差更大,導(dǎo)致壩體產(chǎn)生裂縫。

(2)由于水庫處于空庫狀態(tài),大壩整體裸露于空氣之中,大壩壩體特別是表面溫度受外界氣溫變化影響較為顯著。溫度裂縫一般多發(fā)生在完工后蓄水的第1個寒冷冬天,而該工程還沒蓄水,更加容易產(chǎn)生裂縫。

(3)由于大壩主體工程完工時間距產(chǎn)生裂縫時的時間較短,混凝土強度未達到設(shè)計值,水泥水化熱使內(nèi)部混凝土溫度升高,而外部環(huán)境溫度低,混凝土發(fā)生收縮,且壩體混凝土因在約束條件下,溫降收縮變形大于當時混凝土所能承受的拉伸變形時導(dǎo)致壩體產(chǎn)生裂縫。

2.3 裂縫處理

參考類似工程經(jīng)驗,采用表面修補與內(nèi)部灌水泥砂漿相結(jié)合的處理方案,具體措施如下:

(1)鑿槽、縫面清理。對壩體裂縫進行鑿梯形槽,槽口寬3 cm×5 cm,槽深約5 cm。

(2)造孔。采用風鉆在壩頂及上下游造孔。大壩壩頂造豎向孔,沿裂縫斜交布設(shè),鉆孔深度按風鉆極限鉆深控制。上游面造斜孔,沿裂縫“梅花”型布孔,每lm布設(shè)1孔,孔深 0.5 m左右。大壩下游面造水平孔,孔深0.7～2.0m,孔距和孔徑同上游面。造孔完畢后,在孔內(nèi)預(yù)埋注漿管,采用內(nèi)徑20mm鋼管,長50 cm,插入孔內(nèi)40 cm,外露10 cm。

(3)清洗。灌漿前孔壁和裂縫先進行沖洗,沖洗壓力為灌漿壓力的75%,直到回清水為止。

(4)嵌縫。在槽內(nèi)均勻涂刷1道環(huán)氧樹脂基液,然后用環(huán)氧砂漿嵌槽,再敲實抹平。

(5)灌漿。灌漿溫度在15℃左右,灌漿壓力0.2～0.25 MPa。采用42.5普通硅酸鹽水泥,水灰比為0.6～1.1。灌漿從最低處灌漿孔開始,先灌上游面后灌下游面,當上一灌漿孔有漿液溢出時,將其堵死,再將管移至另一灌孔。灌漿結(jié)束的標準是以不吸漿為原則。

(6)封孔。待漿液固化后,采用低水灰比1∶2水泥砂漿將灌漿孔封孔填堵?lián)v實。

該工程灌漿后,冬季低水位時滲水量較處理前明顯減少,近幾年經(jīng)歷了多次洪水考驗,工程運行正常。

3 橫縫設(shè)置問題的探討

砌石拱壩具有經(jīng)濟安全、施工期短等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于中小型水利水電工程中。根據(jù)原SL 25—91《漿砌石壩設(shè)計規(guī)范》第8.3.1條及SL 25—2006《砌石壩設(shè)計規(guī)范》第9.3.1條“砌石壩根據(jù)地形、地質(zhì)和溫度等因素,可設(shè)置沉降或溫度橫縫” 規(guī)定[1].,未強制要求砌石拱壩設(shè)置橫縫。永嘉縣在2006年前建成了30余座小型砌石拱壩,為方便施工,這些壩基本上未設(shè)橫縫。在運行過程中,包括此壩在內(nèi)共有3座砌石拱壩出現(xiàn)了不同程度的開裂,時間集中在2004—2006年的冬季。從氣象資料來看,這3座壩在完建后不久,外界溫度發(fā)生了劇烈的變化,開裂均發(fā)生在拱壩完建后不久的空庫(或死水位以下)+溫降工況。拱壩為超靜定結(jié)構(gòu),受外界溫度的劇烈變化影響,壩體出現(xiàn)了顯著的拉應(yīng)力,對于未設(shè)橫縫、整體上升砌筑的砌石拱壩更加明顯,加上壩體較薄,故極易出現(xiàn)貫穿性的溫度裂縫。

溫度荷載是砌石拱壩應(yīng)力控制邊界條件之一,對于不設(shè)橫縫、整體上升砌筑的拱壩,各拱層封拱溫度隨施工期氣溫變化而變化,不是一個常數(shù),合理選擇封拱溫度是控制砌石拱壩應(yīng)力的有效手段[2].。設(shè)置合理的分縫,則能改善應(yīng)力分布,減少應(yīng)力集中產(chǎn)生的不利影響,削減大壩的溫度拉應(yīng)力。然而設(shè)置橫縫除構(gòu)造上需滿足封拱灌漿要求外,還需考慮單獨段應(yīng)力及穩(wěn)定問題,且對灌漿時間又有要求,故對小型砌石拱壩施工會造成較大的干擾,另外工程造價也有所增加。

為探討何種情況下可設(shè)置溫度橫縫問題,本文選取了2004—2006年建成的未設(shè)橫縫小型砌石拱壩,對壩高、壩頂弧長、壩頂高程3個特性指標進行整理 (見表2)。

表2 9座未設(shè)橫縫小型砌石拱壩工程特性表

由表2可知,2004—2006年建成的9座砌石拱壩,3座出現(xiàn)了開裂。9座在完建后不久的冬季,經(jīng)歷了一個氣溫驟降再快速回升的劇烈變化過程,且處于空庫(或死水位以下)+溫降工況。就壩體體形而言,通過對前述及其他幾座砌石拱壩裂縫成因分析和相關(guān)經(jīng)驗總結(jié),表明溫度橫縫的設(shè)置與壩頂弧長和工程所在地海拔關(guān)系較大,與壩高關(guān)系不大。根據(jù)永嘉縣地形和溫度等因素,結(jié)合拱壩特性,對橫縫設(shè)置問題得出如下經(jīng)驗:

(1)單曲砌石壩。海拔450m以上,壩頂弧長超60m的宜設(shè)置橫縫;海拔450m以下,壩頂弧長超80m的宜設(shè)置橫縫,壩頂弧長80～60m的視工程具體情況設(shè)置橫縫,其余可不設(shè)橫縫。

(2)雙曲砌石壩。海拔450m以上,壩頂弧長超90m的宜設(shè)置橫縫;海拔450m以下,壩頂弧長超100m的宜設(shè)置橫縫,壩頂弧長100～70m的視工程具體情況設(shè)置橫縫,其余可不設(shè)橫縫。

永嘉縣2004年以前建成的小型砌石拱壩有20余座,除毛竹壩外,其余拱壩未設(shè)橫縫,至今運行均正常。為進一步探討橫縫設(shè)置條件,本文整理了10余座小型砌石拱壩的相關(guān)數(shù)據(jù),其主要特性見表3。

表3 2004年以前建成未設(shè)橫縫至今運行正常的拱壩例表

續(xù)表3

影響拱壩應(yīng)力的因素較多,有體形特性、封拱溫度、運行工況等,雖然表3所列大壩在封拱溫度、完工初期氣象條件等方面與發(fā)生開裂的3座砌石壩有所不同,但通過詢問水庫管理人員和查閱相關(guān)資料,在水庫運行過程中也出現(xiàn)過冬季氣溫變化劇烈的情況。表3中,壩頂弧長為131.40m的毛竹壩設(shè)了橫縫,其余未設(shè)橫縫砌石壩壩頂高程最高為546.50m,最大壩頂弧長為75.35m,最大壩高為30.90m,至今運行均正常。通過對比可知,表3所列砌石拱壩基本在文章所述的經(jīng)驗范圍內(nèi),也一定程度上佐證了上述結(jié)論。

4 結(jié) 語

溫度荷載一般占拱壩總荷載的30%左右,是砌石拱壩應(yīng)力控制邊界條件之一[2].。設(shè)置適當?shù)臋M縫,能改善壩體應(yīng)力分布,削減大壩的溫度拉應(yīng)力。過去永嘉縣小型砌石拱壩設(shè)計因考慮方便施工等因素,基本上采取不設(shè)橫縫、整體上升砌筑設(shè)計。在2006年以后的小型砌石拱壩設(shè)計中,按照前述經(jīng)驗總結(jié),有幾座拱壩針對性地設(shè)置了橫縫,在運行初期也經(jīng)歷了寒潮,所有建成的近10座砌石壩至今均運行正常,這對永嘉縣乃至其他地區(qū)的小型砌石拱壩設(shè)計提供一定的借鑒和參考。當然,拱壩開裂還與壩基地質(zhì)條件、開挖坡度、施工的氣溫條件、運行工況等多種因素有關(guān)。就溫度應(yīng)力而言,本文結(jié)合永嘉縣實際情況,從壩高、壩頂弧長、壩頂高程3個特性指標進行統(tǒng)計分析,探討橫縫設(shè)置條件,由于采用的分析資料數(shù)量有限,不能反映所有砌石拱壩的分縫規(guī)律,文中結(jié)論有待進一步實踐證明。

[1].中華人民共和國水利部.SL25—2006砌石壩設(shè)計規(guī)范 [S]..北京:中國水利水電出版社,2006.

[2].龔羊慶,吳海真,吳曉彬.封拱溫度對砌石拱壩應(yīng)力的影響研究 [J]..人民長江,2011,42(15):45-46.