潘家口水庫主壩壩段上游面裂縫成因及安全性分析

魯永華，呂曉騰，呂中維

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

潘家口水利樞紐位于河北省遷西縣灑河橋鎮以北10 km的灤河干流上，是一座以供水為主、結合發電、兼顧防洪的綜合利用大型水利樞紐，主要建筑物有主壩、副壩、混合式抽水蓄能電站及下池閘壩。

主壩為低寬縫重力壩，Ⅰ級建筑物，設計抗震烈度為Ⅷ度。最大壩高107.50 m，壩頂高程230.50 m，壩頂長1 039 m，自左至右共分為56個壩段。其中，23-30#和33-44#壩段為溢流壩段，位于河床中部，共20個壩段，全長363 m。40＃壩段壩高95.5 m（建基面高程135.0 m，壩頂高程230.5 m），壩段寬度18.0 m，寬縫縫腔寬度4.0 m，體型如圖1所示。

1 裂縫性狀檢測

主壩于1975年1月開工，1979年12月下閘蓄水。1992年1月在工程檢查時首次發現40#壩段185 m廊道的6個壩體排水管漏水，1992—1998年對漏水情況進行連續監測，發現漏水量呈以下規律：漏水現象基本從每年12月份開始，次年4月份結束，一般為1—2月份漏水量最大；漏水量有逐年增大趨勢。

為查明漏水原因，分別于1998—2003年間3次自202 m高程檢修廊道鉆孔進行壓水試驗，初步判斷40#壩段上游194 m高程有一集中滲水層。在2000年汛前水庫水位低于194 m高程時進行裂縫檢查，確定壩前194 m高程有一條沿壩軸向貫穿整個壩段的水平裂縫。

2003年7月，對鉆孔進行了孔內錄像檢查，檢查結果進一步證實裂縫的存在，裂縫從上游面深入壩體6.5～8.5 m，沿壩軸線向貫穿整個壩段，裂縫位置及深度如圖1所示，縫內大部分充填泥質物，裂縫周圍的混凝土質量較差。

綜上所述，40＃壩段高程194 m上游面存在一貫穿整個壩段的水平裂縫，縫深為6.5～8.5 m，裂縫伸入壩體超過壩體排水管。裂縫為活縫，冬季漏水（冬季張開），夏季不漏水（夏季閉合）。

2 原設計復核

為查明裂縫成因，對原設計壩體進行復核計算，計算采用材料力學法和有限元法兩種方法進行。

2.1 材料力學法

根據 《混凝土重力壩設計規范》（SDJ21-1978）及其補充規定，采用材料力學法對40＃壩段194 m高程截面進行抗滑穩定及壩體應力復核。計算考慮以下荷載：壩體及上部永久設備自重、靜水壓力、浪壓力、揚壓力、地震荷載。揚壓力計算時，壩體排水管處揚壓力折減系數取0.2。194 m高程截面壩體抗滑穩定安全系數、壩體應力計算成果見表1。

由表1可知，各工況下194m高程截面抗滑穩定安全系數、壩體應力均滿足規范要求，原設計安全。

2.2 有限元法

采用有限元法建立三維有限元模型進行仿真計算，計算中考慮了壩體外部溫度周期變化對壩體應力及變位的影響。

2.2.1 計算工況及荷載

對“正常蓄水＋1月溫降”及“正常蓄水＋7月溫升”2種工況進行計算，計算中考慮了壩體及上部永久設備自重、靜水壓力、浪壓力、揚壓力和溫度荷載。1月溫降荷載指壩體1月準穩定溫度場與穩定溫度場之差產生的溫度荷載；7月溫升荷載指壩體7月準穩定溫度場與穩定溫度場之差產生的溫度荷載。

表1 194 m高程抗滑穩定安全系數及壩體應力成果

2.2.2 計算模型

按照壩體實際體型建立三維有限元實體模型，基巖深度取約1倍壩高，垂直水流向（下稱Z向）取壩段寬度，順水流向（下稱X向）壩段上下游各取約1倍壩段長度。

2.2.3 計算假定

壩體蓄水運行多年后，壩體溫度呈周期性變化。結合大壩、基巖和庫水溫度安全監測資料對溫度場計算邊界條件做以下假定：上游壩面溫度取相應高程的庫水溫度；下游壩面的溫度取氣溫加上太陽輻射溫升；寬縫內溫度根據觀測資料給定；建基面15m以下基礎溫度不隨水溫、氣溫變化而變化，取恒值（觀測均值）。

2.2.4 壩體穩定溫度場

由于本工程采用柱狀澆注法，分塊澆注，待壩塊冷卻到一定溫度后才進行接縫灌漿，故假定無溫度應力的初始溫度場為并縫灌漿時的壩體溫度場，即設計采用的穩定溫度場。穩定運行期不同月份下的準穩定溫度場與穩定溫度場之差作為溫差場，由溫差場產生的應力為該月份的壩體溫度應力。

壩體穩定溫度場計算結果表明：壩體等溫線基本平行于下游壩面，變化較均勻，寬縫處溫度相等，上游面受庫水溫度影響，溫度從上游面至下游面逐漸增加。

2.2.5 壩體各月準穩定溫度場

壩體邊界溫度以年為單位周期變化，溫度變化步長為月，以并縫灌漿時的溫度場作為初始溫度場，利用ANSYS瞬態熱分析功能模擬壩體溫度場變化過程，求解壩體每月的溫度場。計算截至相鄰兩年同月的溫度場相近時為止，取后一年的各月溫度場作為壩體穩定運行期各月的準溫度場。根據計算結果，第7年與第8年各月的溫度相差很小，故取第8年各月的溫度場作為本壩段的運行期準穩定溫度場。各月準穩定溫度場計算結果表明：壩體上游面附近受庫水影響溫度變幅較小。壩體內部溫度較穩定，在10～12℃之間變化。壩體下游附近溫度梯度較大，主要發生在距下游壩面6 m范圍內，此范圍內7月溫升最大，較穩定溫度場平均升高9℃，壩面最高溫升達16℃；此范圍內1月溫降亦最大，較穩定溫度場平均降低7℃，壩面最高溫降達16℃。

取溫度變化最大的1、7月的準穩定溫度場計算溫度應力。

2.2.6 有限元計算成果

“正常蓄水＋1月溫降”工況壩頂向下游水平位移6.97 mm，壩體上游面處于受拉狀態，高程194 m上游面垂直拉應力為0.926 MPa。

“正常蓄水＋7月溫升”工況壩頂向上游水平位移8.21 mm，壩體上游面處于受壓狀態，高程194 m上游面垂直壓應力為2.043 MPa。

兩工況下壩體應力均在規范允許范圍內。壩體混凝土施工質量達到設計要求的情況下，即使考慮溫度應力作用，上游面高程194 m附近也不致產生水平裂縫。

綜合兩工況下壩體計算位移、應力計算成果可得出以下規律：壩體冬季向下游后仰，夏季向上游前傾；壩體194 m高程上游面在冬季受拉，夏季受壓，以年為周期循環變化。

3 壩體裂縫成因分析

經查閱 “潘家口水庫工程竣工資料”40#壩段甲塊質量檢查記錄，194 m高程為施工澆注層。經鉆孔檢查，該高程附近巖芯很破碎，混凝土質量較差。

綜上分析，對40#壩段上游面194 m高程水平裂縫的成因認識如下：

經復核計算原設計合理，若壩體混凝土施工質量滿足設計要求，上游面高程194 m處不致產生水平裂縫。

壩段上游194 m高程為水平臨時施工縫，該處混凝土施工質量較差，這是產生水平貫穿裂縫的內因。外界氣溫周期性變化對壩體位移和應力有較大影響，壩體冬季后仰、夏季前傾，上游面冬季受拉、夏季受壓，變位和應力以年為周期循環變化。壩頂水平位移變幅15.18 mm，上游壩面194 m高程處應力變幅達2.969 MPa。外界氣溫周期性變化是導致壩體上游面194 m高程施工薄弱部位裂縫產生和發展的主要外因。

4 裂縫狀況下壩體安全復核

采用材料力學法及有限元法對40#壩段裂縫狀況下194 m高程截面的穩定、位移、應力等進行計算分析，以預測裂縫發展趨勢，判斷壩體的安全性。計算裂縫深度取8.0 m。

4.1 材料力學法

考慮8.0 m深裂縫的影響，采用材料力學法對壩體194 m高程截面抗滑穩定及壩體應力進行計算。根據實測結果，揚壓力折減系數取法如下：壩體排水管上游取1.0，壩體排水管處取0.6。考慮194 m高程施工薄弱層面處混凝土破碎，抗剪強度指標較原設計值低，計算中采用指標如下：f=0.7；f′=1.0，c′=0.9 MPa。壩體194 m高程截面壩體抗滑穩定安全系數、壩體應力計算成果見表2。

由表2可知，各種工況抗剪斷安全系數均滿足規范要求，抗剪安全系數在最高蓄水位+地震工況時不滿足規范要求，最高蓄水位+地震工況下裂縫下端垂直拉應力為0.269 MPa。

表2 194 m高程抗滑穩定安全系數及壩體應力成果（8.0 m縫深）

4.2 有限元法

4.2.1 計算說明

考慮8.0m深裂縫的影響，采用有限元法計算壩體應力和位移。計算方法及計算假定同前節2.2中所述。裂縫通過面—面接觸單元模擬，裂縫上下面間摩擦系數取0.7。對“正常蓄水＋7月溫升”“正常蓄水＋1月溫降”“正常蓄水＋1月溫降+地震”3種工況計算。

地震工況同時計入順河向和豎向地震作用效應，總的地震效應將豎向地震效應乘以0.5的遇合系數后與順河向水平地震效應疊加后取得。

地震動力分析采用時程分析法，選取與本工程場地情況類似的遷安波 （1976年8月31日唐山地震時記錄到的一個強余震地震加速度時程曲線）作為地震加速度基礎時程曲線，設計時程曲線在此基礎上適當調整，曲線峰值加速度調整至0.2 g。地震波以無質量地基底部均勻輸入的方式施加，結構固定阻尼比取0.05。

4.2.2 計算結果

“正常蓄水＋7月溫升”工況下壩頂向上游方向水平移動并向上游傾斜，壩頂水平位移為8.43 mm，在194 m高程裂縫下游端處為-0.856 MPa的鉛垂向壓應力，裂縫閉合。

“正常蓄水＋1月溫降”工況下，壩頂向下游方向水平移動并向下游傾斜，壩頂水平位移為7.09 mm，在194 m高程裂縫下游端處為0.452 MPa的鉛垂向拉應力，裂縫張開，裂縫上游端開度1.155 mm。

“正常蓄水＋1月溫降+地震”工況下，壩頂向下游水平移動并向下傾斜，194 m高程裂縫下游端為拉應力，鉛錘向拉應力為1.04 MPa，裂縫張開，裂縫上游端開度1.46 mm。

4.3 裂縫狀況壩體安全復核結論

由材料力學法計算結果可知：壩體現狀抗剪斷安全系數各種工況均滿足規范要求。抗剪安全系數最高蓄水位＋地震工況不滿足規范要求，裂縫下游端鉛垂向拉應力為0.277 MPa。由有限元計算可知，高程194 m裂縫下游端垂直應力冬季為拉應力，最大拉應力為0.452 MPa，裂縫張開1.155 mm；夏季為壓應力，最大壓應力為-0.856 MPa，裂縫閉合。

在這種周期性拉、壓應力狀態轉化及周期變位作用下，裂縫將進一步發展，裂縫冬季漏水量逐年增多的趨勢也印證了這一點。在冬季遭遇地震時，縫端應力狀況進一步惡化，最大拉應力為1.04 MPa，裂縫上游端開度將達1.46 mm，開度顯著增加，嚴重威脅壩體的抗震安全。

裂縫的存在已危及到壩體的安全，且裂縫還將進一步向下游擴展，壩體漏水現象如不及時處理將進一步惡化縫面部位混凝土質量，故此裂縫應及時予以處理。

5 結語

通過計算分析判定，主壩40#壩段上游面194 m高程水平貫穿裂縫產生的內因是該部位為水平施工層面，且混凝土施工質量較差，而外因主要是外界氣溫的周期性變化。經對裂縫狀況下壩體安全復核計算，壩體在裂縫高程層面抗滑穩定存在隱患，裂縫有逐年發展的趨勢，若在冬季遭遇地震，該裂縫會顯著發展、惡化。2007年，針對該裂縫采用了壩面及兩側橫縫封堵、增打壩體排水孔、預應力錨索錨固的綜合措施進行了處理。處理后兩年多的監測結果表明，壩體漏水現象得到遏制，壩體揚壓力恢復正常，裂縫發展得到有效控制，壩體運行安全可靠。