溢流壩邊墩裂縫成因分析

陳小平，胡杰

（韶關(guān)市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司惠州分公司，廣東 惠州 516001）

1 工程概況

混凝土邊墩產(chǎn)生裂縫的原因有很多，主要影響因素有材料、施工、環(huán)境、結(jié)構(gòu)及荷載因素，裂縫產(chǎn)生的根本原因是混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力超過(guò)了強(qiáng)度。以惠州某水庫(kù)重力壩為例，分析其溢流壩段邊墩裂縫成因，河床溢流壩段跨2#～4#壩段布置，跨中分縫，采用2孔開敞式溢流壩型，堰面采用WES曲線，堰頂高程73.00m，每孔凈寬12.00m，中墩厚3.00m，邊墩厚1.50m，總寬度30.00m。溢流壩堰頂設(shè)兩扇12m×9m（寬×高）的弧形閘門控制水庫(kù)水位及泄洪，采用兩臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉?，F(xiàn)狀裂縫位于溢洪道左側(cè)邊墩靠近閘門處，邊墩內(nèi)側(cè)長(zhǎng)14.96m，外側(cè)長(zhǎng)1.98m，表面縫寬3.80 ～3.86mm，在閘墩頂部貫穿閘墩，見圖1。

圖1 邊墩裂縫示意圖

裂縫寬度：本裂縫寬度最大為0.39 cm，位于邊墩頂部。

裂縫長(zhǎng)度：自邊墩頂部沿兩側(cè)分別向下發(fā)展，內(nèi)側(cè)長(zhǎng)14.96m，外側(cè)長(zhǎng)1.98m。

貫通情況：頂部可見貫通（貫通深度按常規(guī)檢測(cè)方法未能得到），根據(jù)74.80m高程及82.00m高程處在左邊墩內(nèi)側(cè)進(jìn)行水平孔取芯探測(cè)結(jié)果，通過(guò)鉆孔取芯及沖洗水滲漏初步說(shuō)明該裂縫上部基本貫穿或存在貫通現(xiàn)象。

開裂部位情況：縫內(nèi)無(wú)異物，無(wú)鹽析，鋼筋輕度銹蝕。

設(shè)計(jì)資料調(diào)查：邊墩頂高程為90.20m，邊墩混凝土等級(jí)為R28150，裂縫附近85.00 ～90.20m高程段水平、豎直向均沒(méi)有配筋，溢流堰頂73.00 ～85.00m高程段邊墩內(nèi)外側(cè)水平向配筋為φ12@300mm，豎直向配筋為φ16@300mm。

結(jié)構(gòu)使用及環(huán)境狀態(tài)調(diào)查：邊墩主要承受的荷載有自重、啟閉力、水平水壓力、工作橋、啟閉室自重、弧形閘門推力、風(fēng)荷載等。因建庫(kù)以來(lái)經(jīng)歷最高水位為83.17m，未達(dá)到設(shè)計(jì)洪水位，初步判斷邊墩實(shí)際所受荷載未超過(guò)設(shè)計(jì)荷載。運(yùn)行期以來(lái)最高日平均氣溫為35.20 ℃，最低日平均氣溫為2.90 ℃，多年平均日平均氣溫為22.40 ℃。

根據(jù)上述分類條件及調(diào)查分析，可初步定義此工程溢洪道左邊墩裂縫為活縫、溫度裂縫（需一定時(shí)間的監(jiān)測(cè)資料才能判定是否為增長(zhǎng)縫），主要成因是外部溫度變化，次要原因可能與邊墩上部沒(méi)有配筋、2013年遭遇特大洪水時(shí)閘門開啟引起的振動(dòng)有關(guān)，需要進(jìn)一步分析論證。

此次裂縫成因分析，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，弧門支座及扇形受拉區(qū)采用材料力學(xué)法復(fù)核；而邊墩屬于非桿件的塊體結(jié)構(gòu)，受側(cè)向力、縱向力、豎向力及自重同時(shí)作用，邊墩的應(yīng)力采用三維有限元分析，得閘墩應(yīng)力分布圖。

2 研究過(guò)程

2.1 閘墩材料力學(xué)分析

溢流壩堰頂高程為73.00m，閘門尺寸為12m×9m（寬×高），閘門頂高程為82.00m，閘門最大擋水高度為9m，此次計(jì)算考慮最大擋水高度時(shí)的弧門推力，考慮閘門受靜水壓力、自重、啟閉力作用。

弧形閘門所受的水壓力，由閘門的支臂傳到支鉸，支鉸置于牛腿上，牛腿與閘墩澆筑成一體，然后用扇形布置的鋼筋把集中力傳遞到閘墩的上游部分。

①弧形閘門支座局部受拉區(qū)裂縫復(fù)核：閘墩受一側(cè)弧門支座推力作用時(shí)，弧門支座推力為2638.27 kN，邊墩推力允許值為1788.40 kN，中墩推力允許值5993.50 kN；閘墩受兩側(cè)弧門支座推力作用，中墩推力允許值為4704.00 kN，即可知中墩弧門支座附近的閘墩局部受拉區(qū)的裂縫滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，但邊墩弧門支座附近閘墩的局部受拉區(qū)的裂縫不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，分析原因是邊墩厚度及弧門支座寬度偏小。

②閘墩局部受拉區(qū)扇形局部受拉鋼筋截面復(fù)核：經(jīng)計(jì)算，閘墩受兩側(cè)弧形門支座推力作用，按現(xiàn)有配筋支座推力計(jì)算允許值2072.69 kN，設(shè)計(jì)值為3561.66 kN，閘墩受一側(cè)弧形門支座推力作用，按現(xiàn)有配筋支座推力計(jì)算允許值1152.20 kN，設(shè)計(jì)值為3561.66 kN，故局部受拉區(qū)扇形局部受拉鋼筋截面不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

③弧門支座的縱向受力鋼筋截面面積復(fù)核：弧形支座牛腿縱向受力鋼筋單寬截面面積設(shè)計(jì)值3742.96mm2，實(shí)配單寬截面面積4362mm2（5φ25+6φ25），泄洪閘弧形閘門支座的縱向鋼筋截面面積滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

2.2 邊墩有限元計(jì)算

2.2.1 有限元模型及工況

2.2.1.1 有限元模型建立

使用Abaqus CAE有限元軟件，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙模擬閘墩結(jié)構(gòu)。為計(jì)算簡(jiǎn)便，在保證上部裂縫影響范圍構(gòu)件尺寸準(zhǔn)確的前提下，對(duì)模型做出適當(dāng)簡(jiǎn)化。其中，閘墩進(jìn)口弧形簡(jiǎn)化為折線型、閘墩左岸壩體軸向長(zhǎng)度簡(jiǎn)化為8m、模型以高程43m平面作為基礎(chǔ)固定端。模型底部固端約束，溢流堰、閘墩、壩體之間為“綁定”約束，交界面處應(yīng)力傳遞且變形協(xié)調(diào)。各部分構(gòu)件材料以線彈性材料模擬，屬性設(shè)定如下：材料為R28150混凝土，密度2500kg/m3，彈性模量2.20 E10（Pa），為0.167 。有限元網(wǎng)格劃分單元尺寸約為0.50m，局部加密至0.30m左右。共劃分節(jié)點(diǎn)45770個(gè)，單元35231個(gè)。

2.2.1.2 荷載及工況

模型荷載大小及作用位置見表1。

表1 結(jié)構(gòu)荷載作用表

依據(jù)ABAQUS分步創(chuàng)建三種荷載工況用于分別模擬不同時(shí)期結(jié)構(gòu)受力，工況選定見表2。

表2 計(jì)算工況表

2.2.2 有限元靜力分析結(jié)果

以閘墩頂部裂縫位置作為平面截?cái)嚅l墩取上游側(cè)進(jìn)行進(jìn)一步分析。以閘墩頂部裂縫處單元作為分析對(duì)象，查看對(duì)應(yīng)工況下截面的應(yīng)力狀態(tài)。不同工況下閘墩頂部S11云圖見圖2為不同工況，其中S11應(yīng)力大小，即混凝土開裂方向，正值為拉力，負(fù)值為壓力。

圖2 工況1、工況2、工況3閘墩頂部S11云圖

可以看出，3種工況下，閘墩頂部裂縫部位附近均呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，由頂部向中部發(fā)展逐漸增大，但增幅較小。閘墩頂部裂縫位置單元最大、最小應(yīng)力值為：工況1，最大/最小應(yīng)力為68.60 /0.10 kPa；工況2，最大/最小應(yīng)力為67.80 /-1.00 kPa；工況3，最大/最小應(yīng)力為55.70 /-10.60 kPa。

2.2.3 有限元溫度分析

由于當(dāng)?shù)啬隃夭罴叭諟夭钶^大，閘墩上部與溢流堰及左岸壩體存在一定溫差，閘墩頂部?jī)?nèi)外混凝土也會(huì)存在溫差，可能引起閘墩混凝土較大應(yīng)變值，從而導(dǎo)致開裂。但由于具體溫差大小和閘墩熱傳導(dǎo)率、比熱容等參數(shù)均無(wú)法準(zhǔn)確獲知，無(wú)法進(jìn)行精確的有限元熱力學(xué)分析。因此此節(jié)僅根據(jù)混凝土膨脹系數(shù)和可能的溫差值進(jìn)行定性的簡(jiǎn)單有限元熱力學(xué)分析，分析結(jié)果供參考。

下面根據(jù)上述工況2作為基本受力條件。根據(jù)中國(guó)現(xiàn)有部分大壩的熱膨脹系數(shù)，取此工程膨脹系數(shù)為9E-06m/℃。將結(jié)構(gòu)分為閘墩、溢流堰、左岸壩體三部分進(jìn)行溫度賦值，溫度取值見表3。初始溫度為20℃。

表3 結(jié)構(gòu)溫度變化工況表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果將閘墩頂部裂縫部位應(yīng)力S11、應(yīng)變E11值匯總見表4。

表4 不同溫差工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變值表（裂縫位置）

由上表可知，在工況e的情況下，最大應(yīng)變值超過(guò)了C15混凝土極限拉伸值（約70E-6）。極限拉伸值是衡量混凝土抗裂性能的重要指標(biāo)。根據(jù)結(jié)果的變化趨勢(shì)和經(jīng)驗(yàn)，可以認(rèn)為混凝土在溫度變化較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)變值，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到超靜定約束時(shí)，會(huì)限制其自由膨脹收縮，當(dāng)應(yīng)變值超過(guò)混凝土極限拉伸值，且反復(fù)漲縮循環(huán)時(shí)便可能會(huì)在薄弱處產(chǎn)生裂縫。經(jīng)對(duì)比，此項(xiàng)目閘墩鋼筋配置不能滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)溫度裂縫配置要求。

根據(jù)以上有限元分析結(jié)果可知，閘墩頂部在完建期和擋水工況均產(chǎn)生較小拉應(yīng)力值，范圍值為0～70kPa左右，該拉應(yīng)力會(huì)使非配筋區(qū)域及其與配筋區(qū)域交界處成為薄弱地帶。推測(cè)閘墩產(chǎn)生拉應(yīng)力的可能原因?yàn)殚l墩上游牛腿型結(jié)構(gòu)以及上部結(jié)構(gòu)荷載，閘門支座推力對(duì)之影響有限。另外，當(dāng)?shù)販囟茸兓^大，可能會(huì)使閘墩混凝土產(chǎn)生反復(fù)的膨脹收縮，與結(jié)構(gòu)受力相結(jié)合時(shí)便可能在薄弱處產(chǎn)生裂縫。

3 分析結(jié)果

從已有的水庫(kù)大壩裂縫寬度監(jiān)測(cè)資料可知，大壩裂縫呈周期性發(fā)展，主要受溫度、濕度影響。結(jié)合上述對(duì)溢洪道左邊墩裂縫的成因分析，得出以下結(jié)論。

①該裂縫同其他裂縫一樣，裂縫發(fā)展受季節(jié)性影響較大，可能會(huì)呈現(xiàn)縫寬周期性變化。

②當(dāng)水庫(kù)遭遇特大暴雨時(shí)水位極速增加的短暫工況，受高水位擋水及泄洪閘門啟閉影響，該裂縫可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。

③因裂縫位于閘門槽與支座之間，裂縫的持續(xù)發(fā)展可能會(huì)對(duì)閘門啟閉產(chǎn)生一定的影響；裂縫的存在與持續(xù)發(fā)展，使裂縫的上游側(cè)邊墩結(jié)構(gòu)變?yōu)橄露斯潭?、上下游?cè)自由的懸臂墻，邊墩將應(yīng)力重分布，由于邊墩所受應(yīng)力改變對(duì)于溢流壩段所受荷載影響較?。ㄋ剿畨毫奢d占2%），故該裂縫不影響壩體的整體穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

①邊墩頂部混凝土裂縫的最大寬度為0.39 cm，大于規(guī)范規(guī)定的最大裂縫寬度限值（wlim）0.30mm，不滿足規(guī)范要求。②初步定義溢洪道左邊墩裂縫為活縫、溫度裂縫（需一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)資料才能判定是否為增長(zhǎng)縫），主要成因是外部溫度變化。③初步分析該裂縫將同其他裂縫一樣，裂縫發(fā)展受季節(jié)性影響較大，縫寬可能會(huì)呈周期性變化；當(dāng)水庫(kù)遭遇特大暴雨時(shí)水位急增長(zhǎng)的短暫工況，受高水位擋水及泄洪閘門啟閉影響，該裂縫可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。④裂縫的存在及發(fā)展影響結(jié)構(gòu)的耐久性、美觀，但不影響壩體的整體穩(wěn)定性。⑤建議加強(qiáng)裂縫寬度監(jiān)測(cè)，掌握裂縫動(dòng)態(tài)變化；盡快實(shí)施安全加固。