參窩水庫大壩裂縫的分析

師曉東

（集安桓集工程管理有限公司，吉林 通化 134200）

參窩水庫大壩裂縫的分析

師曉東

（集安桓集工程管理有限公司，吉林 通化 134200）

參窩水庫大壩為混凝土重力壩，由擋水壩段、溢流壩段、電站壩段 3 部分組成。文章介紹了參窩水庫大壩重要裂縫的現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，裂縫的大致類型，裂縫的成因，以及裂縫的危害和解決方法，根本的裂縫問題需引起相關(guān)部門高度重視，亟須解決。

裂縫；參窩水庫；大壩

1 概述

參窩水庫位于遼寧省遼陽市太子河干流上，是一座以防洪為主，兼顧工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水，并結(jié)合發(fā)電等整合利用的大（Ⅱ）型水利樞紐。參窩水庫原為 100 年一遇洪水設(shè)計(jì)，水位 101.80 m，1 000 年一遇洪水校核，水位 102.00 m。自上游觀音閣水庫建成后，參窩水庫的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)由 100 年一遇提高到 300 年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)由原來的 1 000 年一遇提高到 10 000 年一遇洪水。參窩水庫大壩為混凝土重力壩，由擋水壩段、溢流壩段、電站壩段 3 部分組成。大壩全長532 m，共分為 31 個(gè)壩段，其中：右側(cè)（1～3 號(hào)）和左側(cè)（22～31 號(hào)）壩段為擋水壩段;4～18 號(hào)為溢流壩段；19～21 號(hào)為電站壩段。溢流壩段位于主河床，堰頂高程為 84.8 m，設(shè) 14個(gè)溢流表孔，有 14 扇 12m×12m 弧形鋼閘門控制。溢流堰頂采用克 -奧非真 空曲線，70.93 m 高程與 1:0.9 直線段連接，67.74 m 高程與反弧段連接。參窩水庫大壩最大壩高50.3m，壩頂高 103.5m。

2 大壩裂縫的調(diào)查及分類

參窩水庫大壩壩體裂縫嚴(yán)重。1971—2012 年共進(jìn)行了11 次裂縫普查。裂縫也從 1971 年的 210 條增加到 2012 年的 1 243 條，歷次普查發(fā)現(xiàn)，大壩裂縫逐年增加，而且裂縫的長度、寬度及滲水等問題也逐年趨于嚴(yán)重注：2012 年裂縫統(tǒng)計(jì)包括堰面 370 條裂縫。

大壩的重要裂縫主要分為4種類型：

1）自基礎(chǔ)向上開裂的縱向裂縫，包括沿排水廊道頂拱開裂的縱縫。比如 5 號(hào)壩段樁號(hào) 0+014.8 穿過橫向廊道的縱向裂縫，向上延伸已超過 66.40m 高程，可能與閘墩裂縫貫通。通過在 7號(hào)壩段堰面打斜孔進(jìn)行檢查，證明此裂縫自基礎(chǔ)已向上延伸至壩面不足 1.7 號(hào) m，形成切割壩段的縱縫。17 號(hào)壩段樁號(hào) 0+024.0 排水廊道貫通全壩段的縱縫，樁號(hào) 0+030 附近環(huán)縫可能與堰面連通形成貫穿全壩段的縱縫。6，8，10，12，16 號(hào)壩段均有沿排水廊道頂拱軸線分布的縱縫。底孔的環(huán)縫和排水廊道的縱縫已經(jīng)貫通，成為切割壩段的縱縫。23 號(hào)壩段橫向廊道內(nèi)樁號(hào) 0+017.4～0+ 018.8 處環(huán)縫，其底部已與排水廊道頂拱裂縫相互貫通，向下延伸至基礎(chǔ)，向上延伸至壩面不足 2.3 m 的位置。25 號(hào)壩段排水廊道裂縫，已經(jīng)向上延伸到距壩面不足 1.47 m 的位置，已經(jīng)成為切割半個(gè)壩段的縱縫。

2）閘墩和邊墩上的貫穿裂縫。閘墩上的裂縫大多是從堰面向上延伸的，而且大多數(shù)分布在牛腿的上游和弧門面板的下游。這些裂縫幾乎都是對稱性的分布在閘墩的兩側(cè)，其中 4，14，18 號(hào)壩段均有由溢流堰體貫通到閘墩上的裂縫。

3）水平施工縫。電站壩段以及左岸的擋水壩段一直存在滲水問題，尤其在 78.00 ～89.00 高程的位置滲水很嚴(yán)重，同庫水位高程同步，夏季水流成股流下，冬季結(jié)成冰溜子，表明這一高程的水平施工縫貫穿壩體。

4）裂縫自上游的壩面開裂，直接貫通到橫向廊道和閘門井，這種屬于橫向裂縫。主要分布在 5，11，16 號(hào)壩段。

裂縫統(tǒng)計(jì)：縱縫 67 條，閘墩裂縫 102，水平裂縫 121，橫向裂縫 50。

3 大壩裂縫產(chǎn)生的原因

大壩裂縫產(chǎn)生的原因有多種，總結(jié)起來大致有下面幾個(gè)主要原因：

1）澆筑時(shí)基本上沒有進(jìn)行溫控，壩體溫度較高，溫度的應(yīng)力過大。設(shè)計(jì)要求允許大壩基礎(chǔ)部位混凝土不應(yīng)超過28～32 ℃，而施工中大量實(shí)測資料表明，在基礎(chǔ)范圍內(nèi)的混凝土溫度一般為 40～45 ℃，而最小為 35.6 ℃，最大為 49.4℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)計(jì)要求。壩體的表明裂縫，主要是由于氣溫驟降，混凝土內(nèi)外溫差較大造成的。

下面具體分析溫控方面的不利因素：

①由于混凝土的水化熱溫度升高，參窩水庫大壩的水泥用量大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，200 號(hào)混凝土占總量的 90%，每立方混凝土的水泥用量 220 kg。

②混凝土的澆筑層過厚，層厚超過 1.5m 的澆筑塊占總澆筑塊的 90%，層厚超過 5 m 的澆筑塊占總澆筑塊數(shù)的37%。

②澆筑塊較長，基礎(chǔ)部位采用通倉澆筑，倉面長 30～40 m，由于基礎(chǔ)約束條件惡化，混凝土在降溫過程中產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力。

④部分混凝土入倉時(shí)溫度較高，夏季溫度超過設(shè)計(jì)溫度高達(dá) 18～27.5℃，而夏季澆筑的基礎(chǔ)混凝土塊占 1/3，致使混凝土的最高溫度增加。

2）當(dāng)時(shí)施工中澆筑的部分混凝土均勻性較差，Cv＞0.2，部分混凝土未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)，因而降低了混凝土的抗裂能力。

3）參窩水庫大壩施工期間寒潮頻繁發(fā)生，降溫幅度較大，有些部位澆筑后混凝土表面長期暴露，受寒潮的影響，混凝土極易出現(xiàn)裂縫。

4）壩體本身結(jié)構(gòu)布置方面的因素影響。排水廊道布置在壩體中部溫度應(yīng)力較大的區(qū)域內(nèi)，局部所受應(yīng)力較為集中，使頂拱成為薄弱環(huán)節(jié)。

參窩水庫大壩修建時(shí)，人們對北方的高寒地區(qū)混凝土大壩溫度應(yīng)力分布規(guī)律掌握有限，對混凝土的溫控與防裂認(rèn)識(shí)不足，修建時(shí)沒有采取必要的有效的措施，使大壩在施工期就發(fā)現(xiàn)了裂縫。

4 大壩裂縫的危害及解決措施

4.1 縱 縫

自基礎(chǔ)向上開裂的縱向裂縫，已經(jīng)接近下游壩面或與閘墩裂縫連通，將大壩沿上下游方向分成兩個(gè)或三個(gè)部分，嚴(yán)重破壞了大壩的整體性。從裂縫對壩體危害程度看，排水廊道頂拱縱向裂縫和灌漿廊道頂拱縱縫為最大，3～27號(hào)壩段均有沿頂拱中心線分布的縱向裂縫。4，5，7，20，23，25號(hào)等壩段發(fā)現(xiàn)裂縫自基礎(chǔ)向上開裂較長，幾乎接近壩面，排水廊道頂部有底孔的壩段，縱縫已與底孔底板貫通，并且在底孔內(nèi)形成環(huán)向裂縫。由此可見，廊道頂拱對的縱縫對大壩整體性的破壞性很大。

參窩水庫在第一次除險(xiǎn)加固時(shí)，對縱縫裂度比較嚴(yán)重的 10個(gè)壩段運(yùn)用了預(yù)應(yīng)力錨索。遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)院關(guān)于《參窩水庫大壩加固預(yù)應(yīng)力錨索運(yùn)行狀態(tài)分析報(bào)告》中有3個(gè)結(jié)論性意見：

①參窩水庫大壩預(yù)應(yīng)力錨索永存噸位基本在 50 t以上，滿足了加固設(shè)計(jì)要求的數(shù)值；

②錨索張拉鎖定后，壩體產(chǎn)生了預(yù)壓應(yīng)力，并使裂縫有所閉合，起到了限制裂縫繼續(xù)擴(kuò)展和部分壓合裂縫的作用，達(dá)到了壩體加固的設(shè)計(jì)目的；

③從觀測成果資料分析，錨索運(yùn)行狀態(tài)正常，符合一般的變化規(guī)律，沒有發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

這說明對防止縱縫繼續(xù)開裂，改善壩體應(yīng)力的狀態(tài)取得了較好的效果。在未來的參窩水庫大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中，應(yīng)進(jìn)一步研究除了已經(jīng)有的 10 個(gè)預(yù)應(yīng)力錨索壩段外，其他壩段下游面增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索的必要性。

4.2 閘墩裂縫

閘墩分窄墩（厚 4m），胖墩（厚 9 m）。由于閘孔多（溢流孔 14 孔，底孔 6 孔），閘墩混凝土受環(huán)境溫度的影響十分顯著。參窩水庫閘墩上的裂縫主要是由于溫度應(yīng)力引起的。每年的 1月份、2 月份底孔工作閘門和檢修閘門在同一截面上的溫度基本相同，均為負(fù)溫區(qū)。受環(huán)境氣溫影響，在閘墩上產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。如遇寒潮，該拉應(yīng)力更大，此時(shí)底孔門槽部位由于應(yīng)力的集中效應(yīng)，拉應(yīng)力將更大。裂縫產(chǎn)生后，因?yàn)闆]有及時(shí)地修復(fù)，導(dǎo)致水滲入裂縫，經(jīng)過幾次的凍融交替，裂縫迅速擴(kuò)大，致使混凝土閘墩嚴(yán)重破壞。另外，受自然災(zāi)害因素的影響，已經(jīng)嚴(yán)重裂縫的閘墩又是雪上加霜，導(dǎo)致了貫通縫的形成，破壞大壩的整體性。

相關(guān)專家給出的解決方法是：拆除原閘墩，重新澆筑。改變原來底孔的位置，不宜設(shè)計(jì)在閘墩上。雖然閘墩上設(shè)底孔，布置緊湊節(jié)省開支，但使閘墩應(yīng)力過大，不利于閘墩的正常運(yùn)行。

4.3 水平裂縫

參窩水庫大壩的水平裂縫多數(shù)位于擋水壩段和電站壩段，使壩體混凝土上下層結(jié)構(gòu)分離，導(dǎo)致嚴(yán)重的滲水。水平縫內(nèi)部已經(jīng)非常薄弱，每一次的凍融都無法恢復(fù)到原來狀態(tài)，逐年積累，造成壩體也逐年抬高。通過做數(shù)據(jù)抗剪強(qiáng)度計(jì)算，設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位均不滿足規(guī)范的允許值。

解決方案依據(jù)上堵下排原則，在上游壩面建一道瀝青混凝土面板。并對水平裂縫進(jìn)行灌漿填縫處理，徹底解決水平縫的問題。

4.4 橫 縫

有些壩段的橫向裂縫雖然上下游不是貫通的，但一般都通到廊道和閘門井，這對整體穩(wěn)定威脅不大，但滲漏現(xiàn)象較為嚴(yán)重。廊道內(nèi)、閘門井側(cè)壁，到處可見滲水、滲鈣現(xiàn)象，骨料裸露。降低了大壩混凝土的強(qiáng)度。

建庫以來，多次進(jìn)行封堵。效果最好的是 1988 年之后選用水溶性聚氨酯化灌材料，經(jīng)過幾次的調(diào)整配方、更改配比、改變灌漿工序，對參窩水庫的橫向裂縫進(jìn)行化灌處理，效果明顯。

5 結(jié)語

參窩水庫大壩自列入病險(xiǎn)庫以來，一直備受關(guān)注。歷經(jīng) 2次大規(guī)模的除險(xiǎn)加固之后，參整體狀況有了很大的改觀?，F(xiàn)階段，無論大壩內(nèi)部滲水的廊道，還是水流涌動(dòng)的溢流面，都得到很好地改善，但根本的裂縫問題需引起相關(guān)部門高度重視，亟須解決。

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2013-09-12