蟒塘溪大壩廠房壩段下游面裂縫成因分析及處理

唐 卓

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

1 概 況

蟒塘溪水利水電樞紐工程位于湖南省沅水一級支流舞水中游，地處湖南省芷江侗族自治縣境內，下距芷江縣城6 km。總庫容1.53億m3，是大（Ⅱ）型水庫，樞紐工程屬二等工程。擋水壩為2級建筑物；電站廠房為3級建筑物。

廠房為壩后式，大壩在廠房上游處共分3個廠房壩段。3臺機組壩內發電引水管分別分布在3個廠房壩段正中間，發電引水管為C20混凝土結構，流道內表面有配筋，壩體下游表面未配筋。3個廠房壩段的壩下游面中間部位（沿壩體內發電引水管斜直段位置）（圖1）都有一條與橫縫近乎平行的長裂縫，裂縫寬度（1.5～1.7）mm，有白色析出物殘留。初步判斷此3條裂縫部分位置已經貫穿到發電引水管內，冬季張開，出現滲水，夏季閉合，滲水停止。根據《安全鑒定報告》的描述，裂縫為引水管外側混凝土最薄處，受到溫度應力的影響，產生應力集中現象而導致。

2 應力分析

為了進一步驗證該裂縫產生的原因以便提出與之對應的處理方法，對該部分進行了ADINA有限元應力分析，分析過程及成果如下：

圖1 廠房壩段剖面圖

（1）計算參數。廠房壩段采用混凝土強度等級為C20，鋼筋采用HPB235和HRB335鋼筋，相關混凝土、鋼筋與鋼材的強度及特性見《水工混凝土結構設計規范》（SL191-2008）。 相關溫度參數：C20混凝土熱傳導系數為 2.33 w/m·k，C20混凝土比熱容1 005 J/（kg·K）。

模型整體采用線彈性材料，垂直流道截取壩體斷面，采用平面應力進行受力分析。分別計算鋼筋混凝土發電引水管流道無水、有水、溫度作用等情況下的應力情況。

（2）計算荷載。計算的主要荷載為流道內部受水壓力，溫度荷載等。

流道內的水體，以相應的壓力施加到流道周邊中，溫度荷載作為邊界條件施加在截面的內外側。

（3）建立模型及確定工況。計算采用平面有限元法，選取一個壩段流道斷面進行平面應力分析。模型砼采用線彈性材料，溫度和水壓力荷載分別施加在流道內部和外圍的斷面上，模型采用2D-solid單元劃分。約束方式采用底部固結；兩側由于溫度縫，無約束，模型見圖2。使用ADINA的TMC模塊進行溫度場和應力場耦合。

圖2 一個壩段計算截面

壩后溫度采用氣溫，壩前和管內采用庫水溫度，分別計算了以下4種工況：

工況1：只考慮自重。

工況2：流道內充滿水（不考慮溫度變化）。

工況3：冬季流道充滿水（當地正常狀況下，內部溫度10℃，外部溫度5℃；同時考慮8 m水錘壓力的最不利工況）。

工況4：夏季流道充滿水（當地正常狀況下，內部水溫22℃，外部溫度27.7℃；同時考慮8 m水錘壓力的最不利工況）。

（4）應力計算。限于篇幅計算成果圖只列舉最不利工況3（A點拉應力最大工況，A點所在面未配鋼筋），工況1、工況2、工況4應力計算成果見附表。

工況3：冬季流道內充滿水（流道內10℃，外部5℃；考慮8m水錘受力最不利工況），計算成果圖見圖3～圖5。

在選取計算結果的過程中針對廠房段流道頂部裂縫，選取流道頂部相應關鍵點A、B。

附表 流道頂部關鍵點應力情況成果表（+受拉，-受壓）

圖3 溫度場（工況3）

圖4 第一主應力（工況3）

圖5 水平向拉應力（工況3）

3 結論及裂縫處理

計算結果表明，A點為未配筋區域，最危險為工況3，最大水平拉應力達到1.252MPa，超出混凝土極限抗拉強度，實際出現裂縫位置與計算中抗拉區一致；另外從A、B兩點在不同的工況下均出現了不同的拉應力或壓應力的情況來看，隨著季節與氣候變化該區域混凝土處于受壓和受拉不斷循環的過程，因此該處混凝土也存在疲勞破壞的可能。溫度荷載在鋼筋混凝土結構設計中不能忽視。

B點在工況4（夏季）下，均出現了1.38MPa以上的拉應力，該處配了2排Φ25@175的鋼筋，經復核，該處鋼筋可以承受該部分拉應力，不需要再進行加固。

根據應力分析圖譜，A點在工況二、工況三下均出現了拉應力，而該區域正好是未配鋼筋區域，因此需要對該結構進行加固以減少拉應力對于混凝土的作用，控制裂縫的進一步發展。目前對于開裂結構的加固主要有粘貼碳纖維和粘貼鋼板等方案，綜合工作環境適應性與現狀選擇采用粘貼鋼板對該結構進行加固，材料選用Q235鋼板。通過對各種工況下所需要的鋼板厚度的計算，得出鋼板的最小厚度為3.4 mm，考慮到安全系數以及銹蝕等因素，本次選擇6 mm厚的鋼板。根據有限元應力圖譜發現大壩下游側在不同工況下拉應力分布寬度約為6m，本次擬對受拉區全部加固，同時保證兩側大于200 t（t為鋼板厚度)的錨固長度，因此粘鋼的寬度確定為8.4m，為便于施工鋼條寬度采用（10～20）cm。裂縫經粘貼鋼板處理后目前發電引水管運行情況良好。

[1]孫訓方，方孝淑，等.材料力學[M].北京：高等教育出版社，1993.

[2]王潤富，陳國榮.溫度場和溫度應力[M].北京：科學出版社，2005.

[3]朱伯芳.有限單元法原理與應用[M].北京：水利電力出版社，1979.