某抽水蓄能電站堆石壩面板裂縫成因及安全性分析

仇國(guó)文

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司檢修分公司，北京 100068）

1 工程概況

某抽水蓄能電站下水庫主要建筑物有攔河壩、溢洪道、放空洞等。下水庫洪水標(biāo)準(zhǔn)按100 a一遇洪水設(shè)計(jì)，1 000 a一遇洪水校核，水庫正常蓄水位344.50 m，相應(yīng)庫容859.56萬m3。攔河壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程350.20 m，最大壩高92.00 m。該大壩在1997年施工期就發(fā)現(xiàn)100多條裂縫，縫寬大于0.3 mm有46條，其中10條是I、II期面板水平施工縫，II期面板裂縫明顯多于I期面板，1999年又發(fā)現(xiàn)20多條大小不一的面板裂縫，對(duì)這2次檢查發(fā)現(xiàn)的裂縫均用環(huán)氧樹脂進(jìn)行修補(bǔ)。2003年運(yùn)行期面板檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)有新增裂縫，也有修補(bǔ)過的老裂縫再次張開，大部分裂縫為水平向，呈間隔分布，靠近兩岸部位也有平行于岸坡方向的裂縫，分布到離岸壁15 m處，但以細(xì)小裂縫為主，對(duì)發(fā)現(xiàn)的裂縫采用柔性修補(bǔ)方案進(jìn)行修補(bǔ)。后續(xù)運(yùn)行過程中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多處面板在高程281.00 ～ 309.00 m范圍存在細(xì)微裂縫且有粉塵顆粒填充，原修補(bǔ)處存在表層砂漿保護(hù)層脫落現(xiàn)象，但沒有明顯反滲水現(xiàn)象。

2 面板裂縫成因分析

2.1 面板水平裂縫的成因分析

下庫大壩面板檢查發(fā)現(xiàn)間隔分布的水平向裂縫較多，且II期面板裂縫數(shù)量明顯多于I期面板，分析原因主要與水泥用量及混凝土配合比、堆石區(qū)變形較大及不均勻沉降、面板澆筑時(shí)間等有關(guān)。

2.1.1 水泥用量及混凝土配合比

面板混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不宜過高，一般C25較合適，這樣可減少水泥用量，降低水化熱，從而減小混凝土開裂的可能性。該工程下庫壩面板混凝土原設(shè)計(jì)為C30，后經(jīng)討論改為C25，但在實(shí)際施工中，面板混凝土水灰比0.47，水泥用量偏大，I期混凝土面板混凝土取樣平均抗壓強(qiáng)度為35.5 MPa，II期混凝土面板取樣平均抗壓強(qiáng)度高達(dá)40.9 MPa，混凝土強(qiáng)度等級(jí)遠(yuǎn)高于C25。

在混凝土配合比方面，加入適量的粉煤灰，對(duì)預(yù)防面板開裂是有利的，且粉煤灰的等級(jí)不宜低于II級(jí)，摻量宜為15% ～ 30%。而該工程下庫壩面板混凝土摻入水泥用量8%的I級(jí)粉煤灰，雖可以提高混凝土的和易性，減少水泥用量，但粉煤灰摻量偏少。

面板混凝土應(yīng)采用二級(jí)配骨料，石料最大粒徑應(yīng)不大于40 mm，用于面板砂料的吸水率應(yīng)不大于3.00%，細(xì)度模數(shù)宜在2.4 ～ 2.8范圍內(nèi)，石料的吸水率不大于2.00%，含泥量不大于1.0%，而本工程的吸水率平均值為2.31%，偏大。

2.1.2 堆石區(qū)變形較大及不均勻沉降

壩體填筑分期合理，不出現(xiàn)下游填方區(qū)較窄而高差較大，則可改善壩體水平位移的分布，使壩體變形協(xié)調(diào)，減少水平位移的最大值；過大的堆石體變形，將導(dǎo)致上游壩殼上部位移增量等值線密集區(qū)的差異變形增大而產(chǎn)生裂縫，并惡化面板的支承條件，面板變形受到堆石體的約束，或面板不適應(yīng)堆石體的變形，都可能造成面板的開裂，甚至壓碎。因而減小壩體的變形量，可以改善或減小面板的應(yīng)力、變形和周邊縫的三向位移。

下庫大壩施工期間墊層料曾被雨水沖刷形成溝壑，沖刷損失墊層料和小區(qū)料達(dá)3 000多立方米，尤其是左、右趾板部分沖刷嚴(yán)重，后用人工回填夯實(shí)，但修補(bǔ)部位不易碾壓密實(shí)，局部不均勻沉降較大，引起面板開裂，故施工期面板裂縫較多[1]。本工程邊坡較陡，開挖坡度在0° ～ 60°，且存在多處突變，壩體填筑料厚度高差變化梯度較大，在0.00 ～ 92.00 m壩體存在不均勻沉降，導(dǎo)致面板與墊層料變形不協(xié)調(diào)，引起面板開裂，特別是施工期，由此引起的裂縫較多；隨著時(shí)間的推移，壩體沉降逐漸趨于穩(wěn)定，面板與堆石體之間的不協(xié)調(diào)性逐漸減弱，故后期面板裂縫增量也逐漸減小，裂縫長(zhǎng)度、寬度、深度等也未出現(xiàn)明顯增大現(xiàn)象。

2.1.3 面板澆筑時(shí)間

對(duì)于分期填筑的高面板堆石壩，如果估計(jì)堆石體的變形可能較大時(shí)，各期面板的澆筑高程與相應(yīng)的已填筑的堆石體頂部高程之間需保持一定的高差，以避免各期面板頂部與堆石體之間出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。

下庫大壩面板分二期施工。壩體填筑至高程343.00 m后，停工4個(gè)月，在此期間I期面板施工，澆筑6# ～ 14#面板高程310.00 m以下的9塊，施工期為1996年11月至次年1月，即I期面板的澆筑高程與相應(yīng)的已填筑的堆石體高程差值大于43.00 m，且壩體已經(jīng)經(jīng)過4個(gè)月的沉降，面板與堆石體之間變形相對(duì)較協(xié)調(diào)，發(fā)生脫空的幾率相對(duì)較小，面板出現(xiàn)裂縫的幾率也較小，1997年4月壩體全面上升至高程348.50 m后，開始II期面板和防浪墻施工，澆筑剩余部分高程310.00 ～ 348.50 m面板，施工期為1997年5 — 6月，即II期面板的澆筑高程與相應(yīng)的已填筑的堆石體頂部高程差值較小，且壩體僅經(jīng)過1個(gè)月的沉降，剩余沉降量仍較大，面板與堆石體之間變形不協(xié)調(diào)，面板與墊層料間出現(xiàn)脫空的幾率相對(duì)較大，出現(xiàn)裂縫的幾率也較大，加上I期面板于1996年11月至1997年1月澆筑，氣溫適宜，而II期面板于1997年5 — 6月澆筑，屬高溫多雨季節(jié)，最高氣溫超過30 ℃，影響混凝土的施工質(zhì)量，故II期面板裂縫數(shù)量明顯多于I期面板。面板澆筑時(shí)值夏季是II期面板的水平溫度裂縫多于I期面板的主要原因[2]。

2.2 面板兩端縱向裂縫的成因分析

經(jīng)對(duì)面板檢查發(fā)現(xiàn)，許多平行于岸坡方向的裂縫主要分布在岸壁15.00 m處，但以細(xì)小裂縫為主，分析主要原因主要與河谷形狀、水庫運(yùn)行方式等有關(guān)。

2.2.1 河谷形狀

下庫大壩河谷呈“V”，屬峽谷地區(qū)，岸坡陡峻，地形比較復(fù)雜。出現(xiàn)許多平行于岸坡的裂縫主要是由于岸坡過陡，岸坡與堆石體之間的沉降不均勻引起的，在堆石體和水壓力的作用下，堆石體產(chǎn)生沉降，由于岸坡過陡，導(dǎo)到岸坡與堆石體的不均勻沉降較大，同時(shí)堆石體沉降后，壩坡坡度變緩，導(dǎo)致與巖壁連接處的混凝土面板產(chǎn)生拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，引起面板裂縫的產(chǎn)生。以2#面板的裂縫最為典型，裂縫集中于距周邊縫12.00 ～ 15.00 m處，此處岸坡最陡、水壓力最大，面板裂縫大部分集中在周邊縫附近，且多為結(jié)構(gòu)裂縫。

2.2.2 水庫運(yùn)行方式

本工程為抽水蓄能電站，下水庫水位呈日周期變化，一般在22 — 24點(diǎn)庫水位達(dá)到最高點(diǎn)，之后機(jī)組開始抽水，下庫水位逐漸回落，在次日7 — 8點(diǎn)時(shí)，庫水位至最低點(diǎn)，機(jī)組發(fā)電后，庫水位逐步上升。水位日變幅在14.00 ～ 34.00 m，面板溫度受外界溫度影響，在夏季，夜間溫度較低時(shí)，水位較高，面板大部分處于水下，溫度較低，而白天溫度較高時(shí)，水位較低，面板大部分處于水上，溫度較高，冬季正好相反，日夜溫差較大，易形成溫度干裂縫[3]。庫水位過程線見圖1。

圖1 庫水位過程線圖

3 面板裂縫較多的安全性分析

面板結(jié)構(gòu)性裂縫的出現(xiàn)、面板沿垂直縫的擠壓破壞，都與壩高有關(guān)。120.00 m高度以下的壩，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫的機(jī)會(huì)很小，可以按控制收縮裂縫配筋以達(dá)到減少面板裂縫的目的。溫度裂縫表現(xiàn)細(xì)、短和淺，一般初期裂縫寬度小于0.2 mm，不影響面板結(jié)構(gòu)安全，熱脹冷縮將會(huì)導(dǎo)致面板的裂縫的進(jìn)一步發(fā)展；通常，當(dāng)裂縫寬度大于0.2 mm時(shí)需要進(jìn)行封閉處理。結(jié)構(gòu)裂縫粗、長(zhǎng)、深，裂縫寬度一般大于0.2 mm。面板裂縫特別是當(dāng)裂縫寬度大于0.2 mm時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間不予處理將會(huì)影響混凝土面板的耐久性。因此只要處理好縫寬大于0.2 mm以上的裂縫，對(duì)大壩滲流狀態(tài)沒有太大的影響。本工程最大壩高92.00 m，面板出現(xiàn)的裂縫大部分為水平裂縫，部分為平行于岸坡方向的裂縫，但無明顯的、大的結(jié)構(gòu)性裂縫及滲水現(xiàn)象，從實(shí)測(cè)滲流量可知，在扣除降雨影響后壩體滲流量較同類工程小，故面板裂縫雖多但不影響大壩安全運(yùn)行。

4 結(jié) 語

混凝土面板對(duì)于堆石壩而言起著抗?jié)B作用，其質(zhì)量直接影響整個(gè)堆石壩的安全。對(duì)堆石壩混凝土面板出現(xiàn)的裂縫一定要加以重視。本文對(duì)某抽蓄電站堆石壩面板裂縫產(chǎn)生的可能因素進(jìn)行分析，并做出初步安全評(píng)估，以便為是否要采用合理、可行的工藝對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)，防止裂縫進(jìn)一步發(fā)展給堆石壩帶來嚴(yán)重的安全隱患提供了一定的依據(jù)。

[1] 季建勇，周王俊．澤雅水庫混凝土面板堆石壩面板裂縫成因分析及處理[J]．浙江水利科技，2011(4)：50 - 52．

[2] 馬光明．混凝土面板堆石壩面板裂縫成因及防治[J]．西北水力發(fā)電，2006，22(2)：99 - 101．

[3] 易英仲，吳成源，韋孟康．堆石壩混凝土面板裂縫成因及防治[J]．廣西水利水電，2006(3)：72 - 75.