碾壓混凝土重力壩溢流壩段閘墩裂縫安全復(fù)核分析

中圖分類號(hào)：TV3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

水工建筑物混凝土裂縫易引發(fā)結(jié)構(gòu)安全問題[1-3]，相關(guān)學(xué)者針對(duì)閘墩裂縫安全復(fù)核開展了大量的研究工作。杜磊等[4對(duì)盤溪水庫(kù)溢流壩閘墩裂縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋復(fù)核及閘墩有限元靜力計(jì)算，分析了閘墩裂縫形成的原因。束永峰[5采用有限元分析方法對(duì)水閘閘墩溫度應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，探究溫度對(duì)閘墩應(yīng)力變化的影響。陳小平等[采用材料力學(xué)結(jié)合有限元法對(duì)重力壩溢流壩段邊墩的裂縫成因和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。程井等[采用三維有限元法對(duì)重力壩閘墩尾墩縱縫下端出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行了分析計(jì)算，認(rèn)為裂縫是由溫度荷載、水荷載及壩體自重的共同作用造成的。綜合相關(guān)研究結(jié)果，閘墩裂縫安全復(fù)核主要采用有限元仿真分析方法，針對(duì)閘墩變形和應(yīng)力狀態(tài)作出評(píng)價(jià)。

某水利樞紐工程主要由攔河大壩、右岸壩后式廠房、左右岸灌溉渠首、消力池、右岸斜面升船機(jī)50t級(jí)（預(yù)留）等建筑物組成，是一座以防洪為主，兼顧發(fā)電、灌溉、供水、航運(yùn)、旅游等綜合效益的

I等大（1）型工程。攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程 148m ，最大壩高 88m ，總庫(kù)容14.39億m³ ，防洪庫(kù)容7.83億 m³ 。大壩設(shè)有6個(gè)溢流壩段，溢流壩斷面為三角形，泄洪型式為表、底孔聯(lián)合泄流，5個(gè)表孔、4個(gè)底孔相間布置，表孔堰中分縫，溢流壩段平面布置見圖1。

2023年3月，現(xiàn)場(chǎng)巡檢發(fā)現(xiàn)樞紐工程大壩溢流面及閘墩等部位存在裂縫，裂縫位置見圖2、圖3。閘墩存在3條V類裂縫（圖中紅色線條），其中側(cè)面存在2條，頂部存在1條，裂縫寬度最大值為1.30mm，深度最大值大于 1000mm ，長(zhǎng)度最大值為15.22m 。由于V類裂縫出現(xiàn)在牛腿下游側(cè)，位置特殊，并且現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)閘墩頂和兩側(cè)裂縫疑似聯(lián)通，為保障大壩結(jié)構(gòu)安全，需分析上述裂縫穩(wěn)定性及對(duì)大壩安全的影響。本文選取典型溢流壩段，建立壩段實(shí)體有限元計(jì)算模型，根據(jù)閘墩裂縫檢測(cè)成果，采用有限元方法，分析裂縫對(duì)壩體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形特性的影響，進(jìn)而對(duì)壩體結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1溢流壩段結(jié)構(gòu)形式

溢流壩下游壩坡坡比為 1：0.75 。上游壩面在122.0m 高程以上為鉛直面，與壩軸線重合，大壩上游面 122.0m 高程以下傾向上游，坡比為 1： 0.1 。表孔共5個(gè)，尾部采用寬尾墩形式，典型溢流壩段中墩兩側(cè)對(duì)稱加厚至 17.5m ，堰頂高程為 124.0m 孔口進(jìn)口凈寬 11.0m ，寬尾墩出口斷面凈寬 3.0m 堰面采用WES曲線，下接 1：0.75 斜坡，再接反弧至下游消力池。

2 溢流壩段計(jì)算模型

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和裂縫檢查結(jié)果，構(gòu)建了精細(xì)化的三維有限元模型（見圖4）。共劃分單元88662個(gè)，節(jié)點(diǎn)96291個(gè)，其中混凝土和鋼筋分別采用六面體單元、二維桿單元進(jìn)行模擬。坐標(biāo)軸方向： X 軸指向下游為正，Y軸指向左岸為正， Z 軸豎直向上為正。基礎(chǔ)底面取全約束，左右兩側(cè)面和上下游面取法向約束，壩體橫縫面自由。在裂縫計(jì)算分析中，主要模擬N類裂縫，即閘墩左右兩側(cè)的豎向裂縫以及頂部裂縫。

壩體混凝土重度為 24.5kN/m³ ，其他材料參數(shù)見表1。壩段主要結(jié)構(gòu)鋼筋均采用二級(jí)鋼，彈性模量為200GPa ，泊松比取為0.3，重度為 78.5kN/m³ ，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為 300MPa 。

假定現(xiàn)狀裂縫貫通延伸至堰頂附近，根據(jù)壩體實(shí)際運(yùn)行情況，計(jì)算以下3個(gè)典型工況下的壩體結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力： ① 正常蓄水位工況，載荷為自重 +140.0m 水位壓力 +140.0m 水位弧門推力； ② 設(shè)計(jì)洪水位工況，載荷為自重 +143.5m 水位壓力 +143.5m 水位弧門推力； ③ 檢修工況，載荷為正常蓄水位140.0m水位壓力，閘墩一側(cè)檢修門擋水，另一側(cè)工作弧門擋水。

3 大壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)

分析閘墩已有裂縫對(duì)大壩結(jié)構(gòu)安全性的影響時(shí)，主要考慮自重、水壓力及弧門推力等荷載，對(duì)以下3種工作狀態(tài)時(shí)的項(xiàng)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析： ① 無(wú)裂縫狀態(tài)； ② 現(xiàn)狀裂縫狀態(tài)； ③ 極端貫通裂縫狀態(tài)（假定現(xiàn)狀裂縫貫通延伸至堰頂附近）。

3.1 溢流壩壩體位移分析

正常蓄水位工況條件下溢流壩壩體順?biāo)飨蛭灰品植家妶D5，其他兩個(gè)工況與正常蓄水位工況條件下變形規(guī)律類似。由圖5可知，壩體順?biāo)飨蛭灰朴傻撞康綁雾斨饾u增大，壩頂處位移最大。

不同工況條件下壩體閘墩頂部順?biāo)飨蜃畲笪灰埔姳?。可知，現(xiàn)狀裂縫狀態(tài)下，最大位移為設(shè)計(jì)洪水位工況下的 27.40mm 。雖然現(xiàn)狀裂縫和極端貫通裂縫狀態(tài)下壩體水流向最大位移較無(wú)裂縫狀態(tài)下略有增大，但增幅很小，即使形成極端貫通裂縫，最大位移增幅也在 0.2mm 以內(nèi)，說明裂縫的存在對(duì)壩體變形的影響很小。

3.2 溢流壩項(xiàng)體應(yīng)力分析

圖6為無(wú)裂縫狀態(tài)下溢流壩壩體第一主應(yīng)力分布?？芍^大主拉應(yīng)力主要位于底孔孔口頂部及底部，正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、檢修工況下的最大主拉應(yīng)力分別約為1.65、1.80、 1.65MPa ，其他區(qū)域基本為壓應(yīng)力。

圖7為現(xiàn)狀裂縫狀態(tài)下溢流壩壩體第一主應(yīng)力分布，壩體應(yīng)力與無(wú)裂縫狀態(tài)下的結(jié)果基本相同。較大主拉應(yīng)力主要位于底孔孔口頂部及底部，正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、檢修工況下的最大主拉應(yīng)力分別約為1.66、1.75、 1.65MPa ，其他區(qū)域基本為壓應(yīng)力。

圖8為極端貫通裂縫狀態(tài)下溢流壩壩體第一主應(yīng)力分布。壩體應(yīng)力分布與設(shè)計(jì)狀態(tài)下基本相同，正常蓄水位和檢修工況下底孔孔口底部最大主拉應(yīng)力分別為1.68、 1.70MPa ，其他區(qū)域基本為壓應(yīng)力。

圖9和圖10分別為無(wú)裂縫狀態(tài)和現(xiàn)狀裂縫狀態(tài)下溢流壩閘墩第一主應(yīng)力分布。可知，無(wú)裂縫狀態(tài)下較大主拉應(yīng)力主要位于表孔弧門牛腿上游側(cè)根部，主要由弧門推力引起，最大拉應(yīng)力分別約為2.35MPa（正常蓄水位）、 3.00MPa （設(shè)計(jì)洪水位）、2.37MPa（檢修）?，F(xiàn)狀裂縫狀態(tài)下，裂縫的出現(xiàn)對(duì)裂縫附近部位的應(yīng)力分布有一定的影響，對(duì)其他區(qū)域的應(yīng)力分布影響較小。在LF-1縫端附近，最大主拉應(yīng)力均在 0.4MPa 左右，而在無(wú)裂縫狀態(tài)下，該區(qū)域拉應(yīng)力接近于0?，F(xiàn)狀裂縫狀態(tài)下，表孔弧門牛腿上游側(cè)根部附近的拉應(yīng)力分別為 2.36MPa （正常蓄水位）、 3.05MPa （設(shè)計(jì)洪水位）、 2.38MPa （檢修）。除牛腿附近局部應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力略超過 2.0MPa 外，閘墩其他區(qū)域的拉、壓應(yīng)力與無(wú)裂縫狀態(tài)接近，均未超過混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

圖11為極端貫通裂縫狀態(tài)下溢流壩閘墩第一主應(yīng)力分布。閘墩應(yīng)力分布與無(wú)裂縫狀態(tài)基本相同，兩種工況下表孔弧門牛腿上游側(cè)根部最大拉應(yīng)力均約為 2.36MPa ，另外，在檢修工況下，由于檢修閘門擋水，檢修門槽表面出現(xiàn)約 0.5MPa 的拉應(yīng)力。

圖12為正常蓄水位工況下閘墩鋼筋應(yīng)力分布。無(wú)裂縫狀態(tài)下，閘墩表面水平向鋼筋應(yīng)力多在2.0MPa以下。由于牛腿承受較大水推力，表孔弧門牛腿表面鋼筋以及牛腿附近扇形鋼筋應(yīng)力最大值分別為5.35、 7.9MPa 。極端貫通裂縫狀態(tài)下，閘墩表面水平向鋼筋應(yīng)力在跨縫處的最大拉應(yīng)力達(dá)到54.9MPa ，較無(wú)裂縫狀態(tài)下相應(yīng)部位的鋼筋應(yīng)力（約2.0MPa）增加較大。說明LF-1裂縫擴(kuò)展至溢流堰面時(shí)，壩體應(yīng)力沒有明顯增加，但是水平向鋼筋應(yīng)力增加較為明顯，達(dá)到 54.9MPa ，但仍遠(yuǎn)小于其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 300MPa 。

表3列出了3種狀態(tài)下壩體典型部位在不同工況下的最大主應(yīng)力?？芍?，裂縫的存在僅對(duì)壩體裂縫周邊局部應(yīng)力分布有一定的影響，如在LF-1縫端及其周邊，壩體應(yīng)力略有變化，壩踵、壩趾處以及牛腿附近的應(yīng)力在裂縫出現(xiàn)前后變化很小。在現(xiàn)狀裂縫狀態(tài)下，LF-1縫端附近閘墩主拉應(yīng)力較無(wú)裂縫狀態(tài)下增加了 0.32～0.37MPa ，跨縫處鋼筋拉應(yīng)力增加了 8～10MPa ；在極端貫通裂縫狀態(tài)下，LF-1縫端附近閘墩拉應(yīng)力較無(wú)裂縫狀態(tài)下增加了 0.44～0.55 MPa ，跨縫處鋼筋拉應(yīng)力增加了 52～54MPa 。

4結(jié)論

（1）現(xiàn)狀裂縫狀態(tài)下，壩體水流向最大位移較無(wú)裂縫狀態(tài)下略有增大，但增幅很小，即使形成極端貫通裂縫，增幅也在 0.2mm 以內(nèi)，說明裂縫對(duì)壩體變形的影響很小。

（2）裂縫僅對(duì)壩體裂縫周邊局部應(yīng)力分布有一定的影響，對(duì)項(xiàng)體其他區(qū)域的應(yīng)力分布影響很小。裂縫對(duì)閘墩部位應(yīng)力的影響很小，僅增大了縫端附近拉應(yīng)力，但增加量不超過 0.4MPa ；除牛腿附近局部應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力略超過 2.0MPa 外，閘墩其他區(qū)域的拉、壓應(yīng)力與無(wú)裂縫狀態(tài)接近，均未超過混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

（3）現(xiàn)狀裂縫狀態(tài)下，LF-1縫端附近閘墩拉應(yīng)力較無(wú)裂縫狀態(tài)下增加了 0.32～0.37MPa ，跨縫處鋼筋拉應(yīng)力增加了約 8～10MPa 。在極端貫通裂縫情況下，裂縫LF-1縫端附近閘墩拉應(yīng)力增加了 0.44～0.55MPa ，跨縫處鋼筋拉應(yīng)力增加了約52～54MPa ，最大值為 54.9MPa ，遠(yuǎn)小于其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 300MPa 。

（4）在現(xiàn)狀裂縫的影響下，壩體整體應(yīng)力、變形與無(wú)裂縫狀態(tài)接近，裂縫的存在對(duì)項(xiàng)體整體的變形、應(yīng)力的影響很小，壩體裂縫穩(wěn)定性較好，大壩工作狀態(tài)正常。

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Safety Verification of Cracks in Sluice Pier of Overflow Dam Section of Roller Compacted Concrete Gravity Dam

ZHANG Jiadel，CHAO Jianping1，LIUMaosheng’，MEI Runyu2，3，QIYongfeng4，ZHU Junweil （1.Hunan Lishui Hydroamp; Power Co.，Ltd.，Changsha 410o04，China；2.Changjiang Institute of Survey， Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430014，China；3.State KeyLaboratoryof Water Resources Engineering and Management，Wuhan 43o0l4，China；4.Materials and Structure Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：Cracks were observed in the sluice pier and other parts of aroler compacted concrete gravity dam. To ensure the dam structureand flood controlsafety，itis necessryto reassess the safetyofcracks in the sluice pier. Weselectedatypical overflowdamsectionas theresearch object，and establishedathree-dimensional finiteelement refinedcalculationandanalysis model basedonthe testresultsofsluice piers.Thedeformationand stressdistribution of concrete ironand sluice pieraround thecorbel area were obtained after analysis.In addition，the influenceof existing cracksonthestress and deformationofthedamstructure was analyzed to evaluate the working behaviorof the damstructure.Theresults indicate thatunder the influenceof existing cracks，theoverallstressanddeformationof the dambodyare similarto thoseofthecrack-free state.Thecracks do notafect the lateral stabilityofthesluice pierand the dam works normally.

Key words：roller compacted concrete gravity dam；overflow dam section； sluice pier；crack；safety verification