李家峽大壩壩后裂縫影響因素分析

張　毅，李　季，王雪梅（黃河上游水電開發(fā)有限責任公司，青海西寧，810008）

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李家峽大壩壩后裂縫影響因素分析

張毅，李季，王雪梅
（黃河上游水電開發(fā)有限責任公司，青海西寧，810008）

對李家峽大壩壩后裂縫進行檢測和數值仿真分析，分析裂縫成因及對大壩結構安全的影響，為水庫非汛期經濟運行提供技術支撐。分析表明，當水庫提高水位運行，裂縫擴展到一定程度后處于穩(wěn)定狀態(tài)，其對大壩安全不會產生明顯的影響。

大壩；裂縫；分析

1　工程概況

李家峽水電站是黃河上游大型梯級水電站之一，位于青海尖扎縣與化隆縣交界處，距上游龍羊峽水電站108.6 km，距西寧市112 km，屬大（Ⅰ）型一等工程，以發(fā)電為主，兼顧灌溉。水庫具有周調節(jié)性能，水庫總庫容17.5億m3，設計洪水位2181.3m，相應庫容16.5億m3，正常蓄水位2 180.0 m，死水位2 178.0 m，調節(jié)庫容0.6億m3。樞紐建筑物由混凝土雙曲拱壩、左岸重力墩、副壩、壩后雙排機廠房和兩岸泄水道等組成。大壩為混凝土三圓心雙曲拱壩，壩頂高程2 185 m，最大壩高155 m。電站設計水頭122m，最大水頭135.6m，最小水頭114.5m，設計總裝機容量2000MW，第一期工程裝機1600MW，多年平均發(fā)電量60.63億kW·h。

電站于1988年4月開工，1996年12月下閘蓄水，1999年一期工程4臺機組全部投產發(fā)電。2001年完成工程竣工安全鑒定。2007年12月和2015年3月分別完成大壩安全首次和第二次定期檢查，被評為正常壩。

2　壩后裂縫情況

2006年8～10月，借李家峽大壩壩后保溫板拆除之際，對壩體下游面（除11～13號壩段）2 059～2 185 m高程的裂縫進行了全面細致的檢查，共發(fā)現151條裂縫，裂縫主要集中在2 150～2 185 m高程，裂縫縫寬均在0.1～2.0 mm以內。裂縫示意圖見圖1。

3　分析方法

裂縫對水工混凝土建筑物造成的影響及危害主要有以下幾方面：（1）影響結構的強度和穩(wěn)定性；（2）產生滲漏；（3）加速混凝土的碳化；（4）降低混凝土的耐久性。

裂縫的產生與發(fā)展不僅破壞混凝土壩的美觀和整體性，而且影響混凝土壩結構的受力狀況與穩(wěn)定?；炷翂瘟芽p的形成原因十分復雜，近些年來，工程技術人員和科技人員一直致力于探索用于分析混凝土壩裂縫擴展影響因素和機理的方法，主要采用試驗、工程經驗及數值仿真等方法。但由于實際工程的復雜性、影響因素的多樣性，尚未找到較為理想的方法。筆者采用非線性理論及數值仿真模擬相結合的方法對影響李家峽大壩壩后裂縫的因素進行了分析。

圖1　李家峽大壩壩后裂縫示意圖Fig.1 Schematic diagram of cracks behind Lijiaxia dam

4　壩體溫度對裂縫的影響分析

對于拱壩，影響裂縫狀況的主要因素之一是壩體溫度。由于拱壩為超靜定結構，溫度的變化對壩體應力的影響很大。因此，為了確認溫度對裂縫狀況的影響，在2008年壩體溫度最高的8月底和壩體溫度最低的2月底（壩體溫度比氣溫滯后約1個月）對李家峽壩頂和壩后裂縫采用表面波法進行了兩次檢測，主要目的是檢測裂縫的深度及寬度，并監(jiān)測其發(fā)展變化情況。裂縫位置及編號見表1，檢測結果見表2。

根據2008年8月（夏）和2008年2月（冬）兩次檢測結果的對比，可以發(fā)現如下規(guī)律：（1）對于壩體、壩肩、背管和左岸三角體，裂縫在深度和寬度上都有很大程度的變化，主要表現為深度變淺、寬度變窄；（2）對于壩頂，裂縫深度無明顯變化，而裂縫寬度則有變寬的趨勢。

由此可見：（1）對于壩體、背管、壩肩和左岸三角體，2008年8月份所測試的裂縫深度相對于2008 年2月份的測試結果有明顯的變淺、寬度明顯變窄，均表明該區(qū)域受到較大的壓應力，特別是壩體上測試的許多深度數據已接近零，表明裂縫在高溫季節(jié)處于受壓閉合狀態(tài)；（2）壩頂的裂縫測試結果則未顯現以上規(guī)律，表明壩頂裂縫除了受溫度荷載作用外，還受到混凝土干縮等影響。

5　庫水位對裂縫的影響分析

李家峽水庫于2009年開展大壩原型加密觀測試驗，為了明確水位變動過程中壩后裂縫深度以及寬度的變化情況，并確認水位變化對裂縫狀況的影響，2009年2月配合水位變化過程進行了裂縫檢測。

大壩加密觀測試驗時間段為2009年2月25日～3月12日。試驗期間，水庫實際最高水位達到2 181.35 m（2月28日6∶00），最低水位為2 174.60 m （3月7日20∶30），水位升降符合預定試驗條件，獲取了設計洪水位工況和水庫水位小幅度波動條件下的大壩原型觀測資料和裂縫檢測成果。對李家峽大壩整個壩體的數據進行平均處理，可以最大程度地減小測試誤差，有助于從全局上把握庫水位變化對裂縫的影響。整個壩體裂縫綜合分析見表3。

從表3可以看出，在本次測試的水位變化過程中，裂縫變化不明顯。

6　基于有限元的壩后典型裂縫分析

為了尋找裂縫的不利荷載組合及判斷裂縫產生的典型位置，結合主壩壩后2 150～2 185 m高程裂縫深度的檢測結果，選取上游水位為2 180 m時環(huán)境平均溫度分別為-10℃、0℃、15℃和25℃，以及環(huán)境平均溫度為-10℃時上游水位分別為2 160 m、2 170 m、2 175 m、2 180 m、2 181 m、2 182 m、2 183 m、2 184 m和2 185 m共13組荷載工況對壩后裂縫的不利荷載組合及裂縫產生的典型位置進行分析。不同荷載組合下壩后裂縫變形的等值線圖表明：當上游水庫水位不變時（例如為2 180 m），壩后裂縫變形最大值的大小及位置由于溫度的不同而有所變化；隨著環(huán)境平均溫度的下降，拱冠梁附近壩段2 150 m高程附近的裂縫變形逐漸增大，表明低溫對拱冠梁附近壩段2 150 m高程附近的壩體較為不利，易使其產生水平裂縫；當環(huán)境平均溫度為-10℃時，壩后混凝土的裂縫變形主要集中于拱冠梁附近壩段2 150 m高程附近，呈水平方向分布，且在上游水位為2 175 m時，該范圍內的裂縫變形相對較大，隨著上游水位由2 175 m上升到2 185 m時，該范圍內的裂縫變形減小，表明當上游水位處于2 175 m附近且處于低溫工況時，拱冠梁及其鄰近壩段下游面2 150 m高程附近易產生水平裂縫。

表1　混凝土裂縫深度檢測位置及編號表Table 1 Detection position and number of concrete cracks

表2　李家峽2008年2月（冬）與2008年8月（夏）裂縫深度測試結果對比Table 2 Comparison of test results of crack depth in February（winter）and August（summer）of 2008

以上分析可見，低溫和較低水位（2 175 m左右）對壩后裂縫最為不利，此時易在拱冠梁附近壩段2 150 m高程附近產生水平裂縫；上游水位的小幅上升，如從2 180 m上升到2 181 m或2 182 m時，壩后裂縫變形呈減小趨勢，即高水位下上游水位的小幅上升對裂縫未產生明顯的不利影響。

表3　李家峽大壩裂縫綜合分析表Table 3 Comprehensive analysis of cracks on Lijiaxia dam

7　裂縫影響因素分析結論

根據2008年2月、2008年8月和2009年2～3月的裂縫檢測結果及基于有限元的壩后典型裂縫分析，得到如下結論：

（1）溫度變化是影響裂縫變化的主要因素

從2008年檢測結果分析，2008年2月與2008 年8月前后兩次檢測結果表明，縫寬和縫深都有較大差異，說明溫度變化對于裂縫的影響較大，尤其是低溫情況，在同樣庫水位下，裂縫的縫寬和縫深均較大。

（2）庫水位變化對裂縫變化有一定的影響

從2009年2月檢測結果的綜合分析可見，接近溫度工況下，水庫水位變化對裂縫有一定影響，但其影響較溫度變化要小。2009年2月測試結果表明，當水位降到2 175 m左右時，測試的裂縫深度有增加的趨勢。從各個壩段來看，由于位置不同，裂縫深度變化幅度有一定差異；但從整體來看，增幅不大，約8%左右。由此說明當水位下降時，測試的裂縫深度增加，但增加幅度不大，說明庫水位變化對大壩壩體的裂縫變化也有一定影響。

（3）低溫及較低水位是裂縫不利荷載工況組合

根據2008年2月、2008年8月及2009年2～3月的檢測結果，低溫階段測得的壩后裂縫寬度及深度較大，而高溫階段測得的裂縫寬度和深度較小。庫水位下降到2 175 m左右時，與高水位相比，測得的裂縫深度有所增大。因此，低溫和較低水位（2 175 m左右）是李家峽壩后裂縫的不利荷載組合。

8　結語

針對李家峽大壩壩后裂縫的工程實際，對裂縫的影響因素和正常運行時裂縫的發(fā)展進行分析，為提高水庫非汛期運行水位提供技術支撐。李家峽大壩壩后裂縫檢測成果分析表明，溫度變化是裂縫產生的主要因素，水庫水位變化對裂縫狀態(tài)有一定的影響，尤其是在較低水位工況下測得的裂縫深度相對于高水位要大，低溫和較低水位（2 175 m左右）工況是李家峽大壩壩后裂縫最為不利的荷載工況組合。有限元仿真模擬表明，低溫和較低水位（2 175 m左右）時對壩后裂縫最為不利，此時易在拱冠梁附近壩段2 150 m高程附近產生水平裂縫；高水位下上游水位的小幅上升，如從2 180 m上升到2 181 m或2 182 m時，壩后裂縫變形呈減小趨勢，即高水位對壩后裂縫未產生明顯的不利影響，其對大壩的安全不會產生明顯的影響。

［1］南京河海光華科技公司，黃河上游水電開發(fā)有限責任公司.李家峽大壩壩后裂縫成因、危害性和穩(wěn)定性分析［R］.2011.

［2］張毅，李季，胡鎖鋼，等.黃河李家峽大壩原型觀測試驗研究［J］.大壩與安全，2014（6）：48-52.

［3］李友樓.柘溪大壩1號支墩劈頭裂縫處理及效果分析［J］.大壩與安全，2002（4）：39-40.

作者郵箱：zhyygx@163.com

Title:Analysis of influence factors on cracks behind Lijiaxia dam//by

ZHANG Yi，LI Ji and WANG Xuemei//Yellow River Upstream Hydropower Development Co.，Ltd.

Crack detection and numerical simulation analysis were conducted for Lijiaxia dam，which explained the impact of cracks on dam structure safety，and provided technical support for economic operation of reservoir during non-flood period.The analysis showed that due to reservoir water level rise，the crack would extend to a certain degree and be in a stable state，which would not exert significant impact on dam safety.

dam；crack；analysis

TV698.2

B

1671-1092（2016）03-0023-06

2016-02-22

張 毅（1966-），男，高級工程師，研究方向為大壩安全管理。