公伯峽水電站面板堆石壩水位變動(dòng)區(qū)面板裂縫成因分析

陳念水

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

1 工程概況

黃河公伯峽水電站位于青海省循化縣與化隆縣交界處的黃河干流上，是黃河上游龍-青河段規(guī)劃的第4個(gè)大型梯級(jí)電站，為Ⅰ等大(1)型工程，樞紐工程主要由河床鋼筋混凝土面板堆石壩、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)(含引渠、壩式進(jìn)水口、壓力鋼管、岸邊地面廠房及330 kV開關(guān)站)、左岸泄洪洞、左岸溢洪道(含左副壩)、右岸流泄洪洞、左右岸灌溉取水口以及右副壩和右岸混凝土面板防滲系統(tǒng)等組成。

水庫正常蓄水位2 005.00 m，校核洪水位2 008.28 m，總庫容6.2億m3，死水位2 002.00 m，極限死水位1 995.00 m，為日調(diào)節(jié)水庫。電站裝機(jī)容量1 500 MW，保證出力492 MW，年發(fā)電量51.4億kWh。設(shè)計(jì)洪水采用500年一遇，其洪峰流量為5 440 m3/s；校核洪水采用10 000年一遇，其洪峰流量為7 860 m3/s；保壩采用可能最大(PMF)洪峰流量為8 260 m3/s。

2 大壩材料分區(qū)及填筑情況

大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂長(zhǎng)度429.00 m，壩頂寬度10.0 m，最大壩高132.20 m，上游坡1∶1.4，下游坡1∶1.3～1∶1.5。壩頂設(shè)有高度為5.80 m的“L”墻與面板相接，壩頂高程2 010.00 m。大壩填筑總量為467萬m3。由于河谷狹窄，面板堆石壩與右壩頭電站進(jìn)水口銜接處以及與左壩頭溢洪道銜接處分別設(shè)有38.00 m和50.00 m的高趾墻與大壩面板相連接。壩體填筑分墊層、過渡料、主堆石(塊石及砂礫石)、次堆石等區(qū)。由于壩址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，主體工程開挖后發(fā)現(xiàn)巖性變化大且規(guī)律性差，為了最大限度地利用樞紐工程開挖料，在主堆石區(qū)增設(shè)一強(qiáng)透水區(qū)，即將主堆石區(qū)3BⅠ分為3BⅠ-1和3BⅠ-2兩個(gè)區(qū)，其中3BⅠ-1區(qū)具有自由排水的性質(zhì)。面板為不等厚，厚度0.3～0.7 m，寬度為12 m，共分為38塊。面板間設(shè)垂直縫，面板與趾板和高趾墻間設(shè)周邊縫，壩頂防浪墻與面板間設(shè)水平縫，與兩岸混凝土高趾墻間設(shè)伸縮縫。面板采用單層雙向配筋，橫向(平行于壩軸線方向)配筋為Φ16～Φ22@20 cm；縱向(垂直于壩軸線方向)配筋為Φ16～Φ28@20 cm，面板每向配筋率為0.3%～0.4%。面板混凝土設(shè)計(jì)采用525號(hào)普通硅酸鹽水泥，為C25W12F200二級(jí)配混凝土。大壩典型橫斷面布置見圖1。

圖1 公伯峽水電站大壩填筑分區(qū)圖 單位：高程，m；其它，mm

大壩2002年7月30日開始填筑，至2003年10月22日填筑至壩頂高程2 005.50 m，并預(yù)填筑0.30 m至2 005.80 m以備在面板混凝土施工前壩體沉降。面板混凝土施工2004年4月開始至2004年8月完工。

3 面板裂縫概況

在施工完成至水庫下閘蓄水前對(duì)混凝土面板進(jìn)行了多次裂縫檢查，對(duì)檢查發(fā)現(xiàn)的橫向裂縫進(jìn)行了處理。但在2006年1月16日進(jìn)行單位工程驗(yàn)收時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩混凝土面板在高程2 003.80～2 005.50 m(水位變動(dòng)區(qū))部分混凝土面板出現(xiàn)不同程度縱向裂縫，且兩岸面板分布相對(duì)較多。2006年10月28日至11月16日，對(duì)水面以上(2 002.50～2 005.00 m高程)的面板裂縫進(jìn)行了處理，處理方法采用SK抗?jié)B防碳化涂膜對(duì)混凝土表面進(jìn)行涂層。

2011年6月，電站管理方委托中國(guó)水利水電科學(xué)研究院對(duì)面板進(jìn)行了裂縫檢查，發(fā)現(xiàn)36塊面板產(chǎn)生裂縫，絕大部分裂縫均在水位2 002.00 m高程以上，有部分伸入2 002.00 m高程水位線以下；騎縫鉆芯結(jié)果表明，面板混凝土裂縫相對(duì)較深；延伸到2 002.00 m高程水位線以下的裂縫，垂直于面板方向的開裂深度在11～25 cm，裂縫表面寬、下部窄。從2011—2013年近2 a的觀測(cè)資料看，裂縫有不斷增多和發(fā)展的趨勢(shì)。裂縫分布為靠右岸1～2號(hào)面板裂縫較少，3～7號(hào)面板裂縫3～5條，8～17號(hào)面板裂縫很少，從18號(hào)面板開始靠近左岸產(chǎn)生的面板裂縫較多，并且裂縫逐年增加，除20號(hào)面板上為橫向縫，其余面板均為縱向裂縫，并延伸至2 002.00 m高程水面以下。面板的裂縫具有一定規(guī)律性：庫水位2 002.00 m高程以上面板較多，延伸入2 002.00 m高程水面以下很少；面板左右岸部位裂縫較多，且左岸部位比右岸部位偏多，中間部位較少；面板裂縫逐年在增加，且冬季產(chǎn)生的面板裂縫遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夏季；面板產(chǎn)生裂縫的部位沿壩軸線方向?qū)ΨQ分布或位于壩軸線方向面板的中間部位。根據(jù)對(duì)堆石壩面板延伸至2 001.59 m以下的6條面板裂縫水下檢查的結(jié)果，裂縫最低延伸到1 996.50 m高程。水位變動(dòng)區(qū)裂縫分布見圖2。

4 面板裂縫成因分析

4.1 大壩安全監(jiān)測(cè)情況

根據(jù)面板堆石壩內(nèi)埋設(shè)的觀測(cè)儀器搜集的資料進(jìn)行了分析，成果如下。

(1) 混凝土應(yīng)力

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過變形法計(jì)算得到混凝土應(yīng)力表明：面板基本處于受壓狀態(tài)，順坡向最大壓應(yīng)力為11.4 MPa，出現(xiàn)在14號(hào)面板樁號(hào)左0+159.50 m、高程1 938.00 m處；拉應(yīng)力區(qū)分布在面板上部即高程1 985.00 m以上，最大拉應(yīng)力為4.39 MPa, 出現(xiàn)在5號(hào)面板樁號(hào)左0+052.50 m、高程1 991.50 m處。水平向大壓應(yīng)力分布在面板的中下部即壩左0+70.50 m～壩左0+165.50 m(7～15號(hào)面板)、高程1 930.00～2 000.00 m范圍，最大壓應(yīng)力為7.12 MPa，出現(xiàn)在10號(hào)面板樁號(hào)左0+111.50 m、高程1 974.00 m處；拉應(yīng)力區(qū)分布在面板上部靠左右岸區(qū)域，即高程1 985.00 m以上、樁號(hào)0+280.00 m以右及0+060.00 m以左，最大拉應(yīng)力為2.52 MPa, 出現(xiàn)在5號(hào)面板樁號(hào)左0+052.50 m、高程1 991.50 m處。

圖2 水位變動(dòng)區(qū)裂縫分布見圖

(2) 垂直縫

面板1 988.30 m高程中間受擠壓，兩側(cè)受拉；1 970.50、1 952.70 m高程左側(cè)受拉，中間和右側(cè)受壓；1 881.60～1 935.00 m高程垂直分縫均處于受壓狀態(tài)。各垂直分縫測(cè)點(diǎn)最大張開位移為4.30 mm，分縫開度變化主要發(fā)生在蓄水初期，之后趨于穩(wěn)定。1 935.00 m高程以下沉降量較為明顯，且隨著深度的增加，沉降量增大；1 952.70 m高程以上沉降量較小或處于微抬狀態(tài)。各垂直分縫測(cè)點(diǎn)豎向剪切量在下沉24.83 mm上抬2.58 mm之間，分縫豎向剪切變化主要發(fā)生在蓄水初期，之后趨于穩(wěn)定。

(3) 周邊縫

周邊縫最大張開量、平面剪切量、下沉量分別為54.57、25.17、76.07 mm。周邊縫變形主要發(fā)生在蓄水初期，之后變形趨緩，目前除右岸高趾墻處測(cè)點(diǎn)外，其余測(cè)點(diǎn)變形已基本穩(wěn)定。右岸周邊縫變形較大，大多超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(周邊縫開合度、平面剪切、豎向剪切設(shè)計(jì)值分別為20、40、40 mm)，且目前尚未完全穩(wěn)定。

(4) 壩體沉降、順河向水平位移

壩體沉降主要發(fā)生在施工期及蓄水初期。2005年以后，壩體沉降多緩慢增大趨勢(shì)， 2011年后大壩沉降量趨于平緩，但尚未完全穩(wěn)定。截止2011年12月，大壩內(nèi)部最大沉降為53.2 cm，其與壩高之比為0.40%。

壩體順河向水平位移主要發(fā)生在水庫蓄水初期，進(jìn)入運(yùn)行期后變化趨緩，從水庫開始蓄水(2004年8月8日)至2011年12月13日，壩體順河向水平位移累計(jì)向下游位移最大為172.42 mm，出現(xiàn)在壩左0+130.00 m斷面、1 950.00 m高程上游側(cè)。內(nèi)部水平位移分布一般是左岸大于右岸；高高程大于低高程；同一斷面，由于上游側(cè)承受水荷載作用，下游側(cè)受堆石體流變影響，故普遍表現(xiàn)為下游區(qū)和上游區(qū)位移較大，中部較小。

運(yùn)行8 a后(到2012年)，觀測(cè)表明面板最大撓度達(dá)到26.7 cm。

4.2 計(jì)算分析

面板產(chǎn)生裂縫的原因一般可分為結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫。結(jié)構(gòu)性裂縫主要是面板在外力作用下產(chǎn)生的裂縫，如壩體變形或水壓力作用等；非結(jié)構(gòu)裂縫最普遍是由混凝土干縮和溫度應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。根據(jù)大壩實(shí)測(cè)的變形數(shù)據(jù)，應(yīng)用反演參數(shù)對(duì)壩體進(jìn)行三維有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算，以及公伯峽現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬，對(duì)面板溫度應(yīng)力進(jìn)行有限元計(jì)算，并綜合考慮溫度應(yīng)力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，以研究面板裂縫的產(chǎn)生原因。

(1) 面板結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形及其對(duì)裂縫的影響

應(yīng)用反演計(jì)算參數(shù)對(duì)壩體進(jìn)行三維有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算的成果表明，蓄水期面板沿垂直面板法向最大撓度為20 cm(上游面)；周邊縫最大張開11.8 mm(底部偏左)，最大平面剪切位移6.4 mm(右岸)，最大豎向剪切位移12.9 mm。從沿面板壩軸線方向的應(yīng)力分布規(guī)律來看，蓄水期由于兩岸壩體向河谷中間的變形，從而帶動(dòng)河床中間段面板向溝谷中間的擠壓變形，表現(xiàn)為壓應(yīng)力，并向兩側(cè)逐漸減小；而在壩體向河谷拖拽過程中，兩岸山體對(duì)面板產(chǎn)生約束作用，所以兩岸段面板表現(xiàn)為拉應(yīng)力。在蓄水期，面板壩軸向壓應(yīng)力發(fā)生在主壩最深處面板靠近河谷段，上、下游側(cè)最大值分別為8.4 MPa和7.7 MPa(10號(hào)面板的中部附近)；經(jīng)過8 a的蓄水運(yùn)行，壩體不斷向河谷中間變形，河谷段面板壓應(yīng)力略有增大，上、下游側(cè)面板最大值分別為8.7 MPa和7.7 MPa。在兩岸山體對(duì)面板的拉拽作用下，壩頂部面板原本沒有發(fā)生壩軸向應(yīng)力的地方產(chǎn)生了2 MPa左右的拉應(yīng)力，主要位于蓄水位之上壩頂部右岸靠近山體的面板，局部最大拉應(yīng)力達(dá)到了6 MPa。超過面板抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生裂縫。

面板順坡向最大壓應(yīng)力發(fā)生在主壩河床最深處面板的中部附近(10號(hào)面板的中部附近)，上、下游側(cè)順坡向應(yīng)力最大為3.6 MPa。同時(shí)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，面板頂部產(chǎn)生一定脫空，河床部位面板頂部最大脫空達(dá)20 mm，因此堆石體流變對(duì)面板產(chǎn)生較小摩擦力應(yīng)力。

結(jié)構(gòu)計(jì)算還表明，右岸基礎(chǔ)較陡，面板軸向拉應(yīng)力大，最大軸向拉應(yīng)力出現(xiàn)在右端面板頂部；而左半部面板大部分處于受拉狀態(tài)，范圍較右部大，故產(chǎn)生裂縫多。

(2) 溫度應(yīng)力對(duì)面板裂縫產(chǎn)生的影響

公伯峽大壩地處氣候條件惡劣的西北地區(qū)，溫度應(yīng)力對(duì)面板裂縫產(chǎn)生的影響大。計(jì)算表明,在施工期春季澆筑面板，考慮晝夜溫差(14.2 ℃)，面板表面拉應(yīng)力最大值達(dá)1.0 MPa，略超初期混凝土抗拉強(qiáng)度，可能引起面板表面細(xì)微裂縫。蓄水初期，庫水位達(dá)到2 005.00 m時(shí)引起溫降，對(duì)庫水位附近影響較大，拉應(yīng)力最大增幅0.7 MPa，在施工期及蓄水初期階段，面板積累了1.0～1.5 MPa的施工期和蓄水期應(yīng)力。

在運(yùn)行階段冬春期(4、5月居多)遇寒潮，考慮“寒潮+晝夜溫差”，在水位以上面板頂部表面至1/4厚拉應(yīng)力可達(dá)2.4～2.3 MPa，超過抗拉強(qiáng)度(2.3 MPa)，產(chǎn)生表面裂縫，對(duì)于水位以下部分受寒潮影響較小，小于混凝土抗拉強(qiáng)度，面板未產(chǎn)生裂縫。在冬季嚴(yán)寒低溫氣候條件下，月均最低氣溫達(dá)-13.4 ℃，在水位以上，面板表面至1/2厚拉應(yīng)力可達(dá)2.63～2.36 MPa，超過抗拉強(qiáng)度，面板產(chǎn)生裂縫，裂縫深度可達(dá)1/2厚處，水位以下面板拉應(yīng)力均未達(dá)到抗拉強(qiáng)度。因此在冬春遇寒潮或嚴(yán)寒低溫的冬季，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，均可使水位以上的面板開裂。而在夏季高溫時(shí)，面板所受溫度應(yīng)力較小，均小于抗拉強(qiáng)度，高溫氣候不會(huì)造成面板破壞和裂縫產(chǎn)生。

綜合施工期、蓄水期、運(yùn)行期整塊面板溫度應(yīng)力情況，在水位以上面板溫度應(yīng)力較大，最大值達(dá)到2.9 MPa，在2 005.00 m附近溫度應(yīng)力達(dá)到2.8 MPa，對(duì)單塊面板溫度應(yīng)力，基本呈中間大、兩邊小的分布，與裂縫出現(xiàn)在中間相符。

經(jīng)過對(duì)河床中間面板水位敏感性分析表明，長(zhǎng)期在2 005.00 m運(yùn)行水位時(shí)，2011年冬夜，水位附近面板溫度應(yīng)力最大且軸向(水平向)應(yīng)力比順坡向(垂直向)應(yīng)力大，分別達(dá)到2.48 MPa和1.15 MPa，其比值達(dá)2.16∶1，在軸向拉應(yīng)力占主導(dǎo)情況下易產(chǎn)生縱向裂縫。當(dāng)蓄水位在 2 000.00、1 990.00、1 950.00 m時(shí)，最大拉應(yīng)力壩軸向和順坡向分量比值分別為2.09∶2.48、2.05∶2.41、1.98∶2.32，3種工況下的最大拉應(yīng)力都以順坡向(垂直向)拉應(yīng)力為主，可能將產(chǎn)生水平向裂縫性態(tài)破壞形式。由此可見，面板橫縫和縱縫之間的轉(zhuǎn)變并非隨蓄水位線性變化，當(dāng)變動(dòng)水位相對(duì)于面板單寬達(dá)到某極小值時(shí)，裂縫的呈現(xiàn)形態(tài)將由橫向突變?yōu)榭v向。綜上所述，公伯峽極小水位變動(dòng)區(qū)(3 m)使面板遭受溫度最大拉應(yīng)力基本為軸向(水平向)拉應(yīng)力，導(dǎo)致面板出現(xiàn)縱向裂縫。

4.3 面板裂縫成因

綜合分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力和溫度應(yīng)力對(duì)面板裂縫的影響，從蓄水初期至今，頂部面板在某次寒潮來襲或者冬季持續(xù)低溫的天氣條件下，受到的溫度拉應(yīng)力超過了抗拉強(qiáng)度，溫度應(yīng)力最大值為壩軸向且發(fā)生在單塊面板中間，所以最先在每塊面板中間位置產(chǎn)生了縱向裂縫；運(yùn)行多年后，由于壩體土石材料的流變，面板結(jié)構(gòu)應(yīng)力有所增加。兩岸面板結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力的增加，進(jìn)一步促進(jìn)了兩岸面板的裂縫發(fā)展，使兩岸面板裂縫的數(shù)量增多；而對(duì)于中間河床面板，結(jié)構(gòu)應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在一定程度上抵消了一部分由溫度驟降和持續(xù)低溫造成的溫度拉應(yīng)力，使中間面板已產(chǎn)生的裂縫不再發(fā)展。這符合面板裂縫“兩岸多，中間少”的規(guī)律。

綜上所述，溫度應(yīng)力是導(dǎo)致面板產(chǎn)生裂縫的主要因素，結(jié)構(gòu)應(yīng)力在流變過程中增加進(jìn)一步促進(jìn)了兩側(cè)面板裂縫的發(fā)展，為推動(dòng)因素。

5 結(jié) 語

公伯峽水電站從2004年8月蓄水至今已安全運(yùn)行了11 a，水位變動(dòng)區(qū)混凝土面板產(chǎn)生縱向裂縫，主要由于大壩處于嚴(yán)寒地區(qū)，晝夜溫差較大，白天氣溫高，水面以上的面板受熱膨脹；夜晚，溫度降低，水面以上的面板收縮，但水面以下面板基本處于恒溫狀態(tài)，在水面線附近溫度梯度較大，水下面板會(huì)限制水上面板的冷縮，同時(shí)堆石體的摩擦力也會(huì)限制面板的冷縮，當(dāng)遇寒潮侵襲時(shí)，表面混凝土拉應(yīng)力超過混凝土抗裂能力，導(dǎo)致面板產(chǎn)生縱向裂縫。

為提高混凝土面板運(yùn)行的耐久性，需對(duì)面板裂縫進(jìn)行處理。為防止面板裂縫進(jìn)一步產(chǎn)生和發(fā)展對(duì)2 002.00 m水位以上面板采取必要的保溫措施。

參考文獻(xiàn):

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