高嶺頭一級水電站拱壩壩體裂縫成因及其危害性分析

肖 妮,陳吉森，林 凝

(1．水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012;2．水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 310012)

0 引 言

對混凝土拱壩而言，裂縫屬常見病害[1]。拱壩裂縫有很多種，從產(chǎn)生原因分，大致有溫度性裂縫、結(jié)構(gòu)性裂縫；從產(chǎn)生時間分，主要有施工期裂縫和運行期裂縫等。拱壩裂縫雖然不是影響拱壩安全的直接因素[2]，但裂縫和漏水的發(fā)展會影響壩體工作狀況，故而裂縫是拱壩安全評價的重要方面。裂縫和漏水并不可怕，關(guān)鍵看裂縫和漏水是否隨時間推移在發(fā)展，混凝土的工作性狀是否在惡化[3]。本文在介紹高嶺頭一級水電站拱壩壩體裂縫情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合監(jiān)測資料及拱梁分載法計算結(jié)果，深入分析混凝土結(jié)構(gòu)中裂縫形成的主要成因，為拱壩運行及裂縫處理提供相關(guān)參考，將裂縫的影響降到最低[4]。

1 工程概況

大壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程795.20 m，壩底高程732.00 m，最大壩高63.20 m，壩頂寬3.5 m，壩頂弦長220 m，壩底寬17.0 m，厚高比0.269。壩頂矢高48.7 m，拱端半中心角31.621°～42.752°，上下游最大倒懸度1∶0.2。壩頂弧長220 m，橫縫間距15 m，分成15個壩段。壩體采用90天齡期200號混凝土澆筑，混凝土的抗?jié)B標號為S8。壩頂設(shè)表孔式溢洪道，位于8、9、10號壩段，溢流凈寬3 m×10 m，堰頂高程790 m，設(shè)10 m×4.25 m(寬×高)的弧形鋼閘門。

2 壩體裂縫情況

壩體上游面水上部位未發(fā)現(xiàn)裂縫，水下部分未能進行檢查，本次裂縫分析的重點主要在下游面。

壩體下游壩面混凝土輪廓線平順，但存在多處游離鈣析出點，壩面泛堿部位呈橫向走勢。下游壩面局部出現(xiàn)裂縫，除去施工橫縫的張拉裂縫，主要有8條水平向裂縫。2019年6月份在大壩布置25支單向測縫計，其中8處水平測縫計和17處豎向測縫計(橫縫觀測點)，進行壩體裂縫、接縫監(jiān)測。2、12號壩段在高程785 m處分別有1條水平向裂縫，已安裝裂縫測縫計HF8、HF7，最大裂縫寬度分別為0.07、0.41 mm；3、5號壩段在高程773 m處分別有1條水平向裂縫，已安裝裂縫觀測點HF3、HF2，最大裂縫寬度分別為0.76、0.20 mm；10號壩段在高程772.5 m處有1條水平向裂縫，已安裝裂縫測縫計HF4，最大裂縫寬度為0.51 mm；11號壩段在高程773～774 m處有2條水平向裂縫，已安裝裂縫觀測點HF6、HF5，2個觀測點最大裂縫寬度分別為0.55、0.83 mm；3號壩段在高程764 m有1條水平向裂縫，已安裝裂縫測縫計HF1，最大裂縫寬度為0.54 mm。

17處豎向測縫計均布設(shè)在橫縫處，其中8號壩段與9號壩段橫縫在高程753 m處ZF3觀測點最大縫寬為1.08 mm(見圖1、表1)。

圖1 拱壩下游面裂縫分布情況

表1 拱壩下游面裂縫分布情況及測值統(tǒng)計

3 監(jiān)測情況

2019年7月6日至2020年11月15日壩體裂縫接縫測點測值統(tǒng)計如表1所示，各測點裂縫開度～庫水位～溫度相關(guān)性過程線如下所示(見圖2、圖3)。從圖中可以看出：

(1)壩體裂縫開度值主要受溫度影響，與氣溫呈負相關(guān)關(guān)系；與庫水位變化影響不明顯。

(2)實測裂縫開度各測點累計值和變化值均小于1 mm。

(3)目前各測點過程線較平穩(wěn)，無不良趨勢，但觀測歷時較短，且觀測期間水庫運行水位較低，應(yīng)繼續(xù)加強觀測。

圖2 拱壩裂縫開度～庫水位過程線圖(HF1～HF8)(2019.7～2020.11)

4 計算情況

4.1 計算方法及荷載組合

4.1.1 計算方法

本次拱梁分載法計算采用的是ADAO軟件系統(tǒng)，算采用全調(diào)整法。

4.1.2 荷載組合

拱壩設(shè)計工況分為基本工況和特殊工況兩類，考慮可能出現(xiàn)的最不利情況，參照規(guī)范采用下列5種工況考慮。

(1)基本工況

工況1(簡稱：正常+溫降)：自重+正常蓄水位+正常溫降+揚壓力+泥沙壓力。

工況2(簡稱：正常+溫升)：自重+正常蓄水位+正常溫升+揚壓力+泥沙壓力。

工況3(簡稱：死水位+溫降)：自重+死水位+正常溫降+揚壓力+泥沙壓力。

工況4(簡稱：死水位+溫升)：自重+死水位+正常溫升+揚壓力+泥沙壓力。

(2)特殊工況

工況5(簡稱：校核+溫升)：自重+校核洪水位+正常溫升+揚壓力+泥沙壓力。

4.2 計算參數(shù)

壩體非溢流壩段采用R90#200混凝土材料，溢流壩段采用R90#150混凝土材料。根據(jù)施工期的檢測材料，混凝土材料彈性模量E取17.0 GPa，泊松比ν取0.167，容重γ取24 kN/m3，線膨脹系數(shù)α取1.0×10-5/℃。

拱壩置于微風(fēng)化～新鮮巖石內(nèi)，其中微風(fēng)化巖石變形模量E0取15 GPa，容重γ取25 kN/m3；新鮮巖石變形模量E0取為18 GPa，容重γ取26.0 kN/m3，泊松比ν取0.20。根據(jù)檢測資料，考慮到兩種巖石的抗剪斷材料參數(shù)差距較小，為計算方便，統(tǒng)一取為f′=1.1，c′=1.3 MPa。

水庫淤積泥容重γ取值為7.5 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ為20°。

主要氣溫資料據(jù)如下：年平均氣溫為15 ℃，年平均最高氣溫為30.6 ℃(7月)，7月的月平均氣溫25.3 ℃，年平均最低氣溫1.8 ℃(1月)，1月的月平均氣溫5.2 ℃。

封拱溫度：768 m高程以上15 ℃，768 m高程以下13 ℃。

4.3 計算結(jié)果

將壩體分為7拱18梁進行計算(見表2)。

表2 拱壩壩面應(yīng)力極值匯總

由于水庫蓄水，上游面未能進行檢查，亦未安裝側(cè)縫計，本次主要對壩體下游面裂縫進行分析。從表2可知下游面最大壓應(yīng)力為3.85 MPa，出現(xiàn)在特殊工況5，遠小于混凝的抗壓能力，不會對壩體造成破壞，本次主要分析拉應(yīng)力造成的影響(見圖4)。

(a) 工況1 (b) 工況2

(c) 工況3 (d) 工況4

(e) 工況5

5 成果分析

裂縫發(fā)生處與計算結(jié)果進行對比：2、12號壩段高程785.0 m處分別有1條水平向裂縫，計算結(jié)果中最大拉應(yīng)力0.2 MPa，最大壓應(yīng)力2.9 MPa；拉、壓應(yīng)力值均較小，與裂縫無吻合性。高程773～774 m附近共有5條水平向裂縫，分別在3、5、10、11號壩段，其中11號壩段有2條，各工況下最大拉應(yīng)力在0.4～0.6 MPa之間，最大壓應(yīng)力在2.6～2.9 MPa之間；5號壩段裂縫位置在正常水位+溫降工況正好是拉應(yīng)力極值出現(xiàn)位置，與計算結(jié)果有較好的符合性。另外，還發(fā)現(xiàn)溫升工況下在高程770～790 m有1個長條形的拉應(yīng)力帶，拉應(yīng)力在0.2～0.47 MPa，應(yīng)力值雖不大，但范圍廣，推斷是此高程下有5條水平向裂縫的原因。3號壩段高程764 m處有1條水平向裂縫，各工況下最大拉應(yīng)力0.80 MPa(死水位+溫升)，最大壓應(yīng)力3.2 MPa，此裂縫處的拉應(yīng)力較大。從應(yīng)力云圖上看，越靠近壩基拉應(yīng)力越大，有出現(xiàn)裂縫的可能性，與實際情況有較好的吻合度(見表3)。

由上述分析可知，計算結(jié)果與裂縫出現(xiàn)位置吻合度總體較好，8條裂縫中有2條與計算結(jié)果有校好吻合度，拉應(yīng)力值均超過0.5 MPa，分別為HF3、HF1；另外高程773 m附近有4條水平向裂縫，計算結(jié)果中此范圍有1個長條形的拉應(yīng)力帶，有一定的吻合性；其他2條裂縫未發(fā)現(xiàn)吻合情況。

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)裂縫基本呈水平，形狀規(guī)整，多數(shù)有少量白色析出物，裂縫發(fā)生處基本是水平施工縫冷縫處。在澆筑塊的結(jié)合面，與其他整體澆筑的混凝土塊相比，施工縫是薄弱面，故而更容易出現(xiàn)裂縫。由于溫度荷載的計算采用規(guī)范值，日照溫差影響定為1～2 ℃，現(xiàn)場實際影響遠大于這個溫差，推斷壩體運行期間的溫度荷載比計算值大[5]，故而壩體承受的拉應(yīng)力極有可能比計算值大，產(chǎn)生裂縫。

結(jié)合監(jiān)測資料，裂縫寬度與溫度呈正相關(guān)性，壩體下游面裂縫屬施工冷縫處的溫度裂縫，形成貫穿性裂縫的可能性較小，危害程度較小。由于橫縫、施工冷縫是結(jié)構(gòu)性的，而且其產(chǎn)生裂縫的原因很難或無法消除，故即使經(jīng)灌漿加固仍有反復(fù)開裂的可能，其處理原則應(yīng)是限制其發(fā)展，減少漏水帶來的危害[3]；根據(jù)此條原則對高嶺頭一級水電站拱壩裂縫處理及運行提出相關(guān)建議。

表3 計算結(jié)果與裂縫位置對比分析

6 結(jié) 語

(1)壩體裂縫與氣溫呈正相關(guān)性。

(2)高嶺頭一級水電站拱壩下游壩面裂縫屬溫度裂縫，溫差引起的拉應(yīng)力造成壩體施工冷縫薄弱面出現(xiàn)裂縫，形成貫穿性裂縫的可能性小，危害程度不大。

(3)壩體裂縫出現(xiàn)位置與應(yīng)力計算結(jié)果有一定的相關(guān)性，極端氣溫下關(guān)注應(yīng)力集中區(qū)域如770～790 m高程段，新裂縫的產(chǎn)生及老裂縫開展情況。

(4)裂縫大部分發(fā)生在施工期造成的混凝土塊的結(jié)合面，監(jiān)測結(jié)果穩(wěn)定，無不良趨勢，危害性較小，可不進行處理；但應(yīng)避免在極端氣溫高水位下運行，防止裂縫進一步開展，出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。