高嶺頭一級水電站拱壩壩體裂縫成因及其危害性分析

肖 妮,陳吉森，林 凝

(1．水利部農村電氣化研究所，浙江 杭州 310012;2．水利部農村水電工程技術研究中心，浙江 杭州 310012)

0 引 言

對混凝土拱壩而言，裂縫屬常見病害[1]。拱壩裂縫有很多種，從產生原因分，大致有溫度性裂縫、結構性裂縫；從產生時間分，主要有施工期裂縫和運行期裂縫等。拱壩裂縫雖然不是影響拱壩安全的直接因素[2]，但裂縫和漏水的發展會影響壩體工作狀況，故而裂縫是拱壩安全評價的重要方面。裂縫和漏水并不可怕，關鍵看裂縫和漏水是否隨時間推移在發展，混凝土的工作性狀是否在惡化[3]。本文在介紹高嶺頭一級水電站拱壩壩體裂縫情況的基礎上，結合監測資料及拱梁分載法計算結果，深入分析混凝土結構中裂縫形成的主要成因，為拱壩運行及裂縫處理提供相關參考，將裂縫的影響降到最低[4]。

1 工程概況

大壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程795.20 m，壩底高程732.00 m，最大壩高63.20 m，壩頂寬3.5 m，壩頂弦長220 m，壩底寬17.0 m，厚高比0.269。壩頂矢高48.7 m，拱端半中心角31.621°～42.752°，上下游最大倒懸度1∶0.2。壩頂弧長220 m，橫縫間距15 m，分成15個壩段。壩體采用90天齡期200號混凝土澆筑，混凝土的抗滲標號為S8。壩頂設表孔式溢洪道，位于8、9、10號壩段，溢流凈寬3 m×10 m，堰頂高程790 m，設10 m×4.25 m(寬×高)的弧形鋼閘門。

2 壩體裂縫情況

壩體上游面水上部位未發現裂縫，水下部分未能進行檢查，本次裂縫分析的重點主要在下游面。

壩體下游壩面混凝土輪廓線平順，但存在多處游離鈣析出點，壩面泛堿部位呈橫向走勢。下游壩面局部出現裂縫，除去施工橫縫的張拉裂縫，主要有8條水平向裂縫。2019年6月份在大壩布置25支單向測縫計，其中8處水平測縫計和17處豎向測縫計(橫縫觀測點)，進行壩體裂縫、接縫監測。2、12號壩段在高程785 m處分別有1條水平向裂縫，已安裝裂縫測縫計HF8、HF7，最大裂縫寬度分別為0.07、0.41 mm；3、5號壩段在高程773 m處分別有1條水平向裂縫，已安裝裂縫觀測點HF3、HF2，最大裂縫寬度分別為0.76、0.20 mm；10號壩段在高程772.5 m處有1條水平向裂縫，已安裝裂縫測縫計HF4，最大裂縫寬度為0.51 mm；11號壩段在高程773～774 m處有2條水平向裂縫，已安裝裂縫觀測點HF6、HF5，2個觀測點最大裂縫寬度分別為0.55、0.83 mm；3號壩段在高程764 m有1條水平向裂縫，已安裝裂縫測縫計HF1，最大裂縫寬度為0.54 mm。

17處豎向測縫計均布設在橫縫處，其中8號壩段與9號壩段橫縫在高程753 m處ZF3觀測點最大縫寬為1.08 mm(見圖1、表1)。

圖1 拱壩下游面裂縫分布情況

表1 拱壩下游面裂縫分布情況及測值統計

3 監測情況

2019年7月6日至2020年11月15日壩體裂縫接縫測點測值統計如表1所示，各測點裂縫開度～庫水位～溫度相關性過程線如下所示(見圖2、圖3)。從圖中可以看出：

(1)壩體裂縫開度值主要受溫度影響，與氣溫呈負相關關系；與庫水位變化影響不明顯。

(2)實測裂縫開度各測點累計值和變化值均小于1 mm。

(3)目前各測點過程線較平穩，無不良趨勢，但觀測歷時較短，且觀測期間水庫運行水位較低，應繼續加強觀測。

圖2 拱壩裂縫開度～庫水位過程線圖(HF1～HF8)(2019.7～2020.11)

4 計算情況

4.1 計算方法及荷載組合

4.1.1 計算方法

本次拱梁分載法計算采用的是ADAO軟件系統，算采用全調整法。

4.1.2 荷載組合

拱壩設計工況分為基本工況和特殊工況兩類，考慮可能出現的最不利情況，參照規范采用下列5種工況考慮。

(1)基本工況

工況1(簡稱：正常+溫降)：自重+正常蓄水位+正常溫降+揚壓力+泥沙壓力。

工況2(簡稱：正常+溫升)：自重+正常蓄水位+正常溫升+揚壓力+泥沙壓力。

工況3(簡稱：死水位+溫降)：自重+死水位+正常溫降+揚壓力+泥沙壓力。

工況4(簡稱：死水位+溫升)：自重+死水位+正常溫升+揚壓力+泥沙壓力。

(2)特殊工況

工況5(簡稱：校核+溫升)：自重+校核洪水位+正常溫升+揚壓力+泥沙壓力。

4.2 計算參數

壩體非溢流壩段采用R90#200混凝土材料，溢流壩段采用R90#150混凝土材料。根據施工期的檢測材料，混凝土材料彈性模量E取17.0 GPa，泊松比ν取0.167，容重γ取24 kN/m3，線膨脹系數α取1.0×10-5/℃。

拱壩置于微風化～新鮮巖石內，其中微風化巖石變形模量E0取15 GPa，容重γ取25 kN/m3；新鮮巖石變形模量E0取為18 GPa，容重γ取26.0 kN/m3，泊松比ν取0.20。根據檢測資料，考慮到兩種巖石的抗剪斷材料參數差距較小，為計算方便，統一取為f′=1.1，c′=1.3 MPa。

水庫淤積泥容重γ取值為7.5 kN/m3，內摩擦角φ為20°。

主要氣溫資料據如下：年平均氣溫為15 ℃，年平均最高氣溫為30.6 ℃(7月)，7月的月平均氣溫25.3 ℃，年平均最低氣溫1.8 ℃(1月)，1月的月平均氣溫5.2 ℃。

封拱溫度：768 m高程以上15 ℃，768 m高程以下13 ℃。

4.3 計算結果

將壩體分為7拱18梁進行計算(見表2)。

表2 拱壩壩面應力極值匯總

由于水庫蓄水，上游面未能進行檢查，亦未安裝側縫計，本次主要對壩體下游面裂縫進行分析。從表2可知下游面最大壓應力為3.85 MPa，出現在特殊工況5，遠小于混凝的抗壓能力，不會對壩體造成破壞，本次主要分析拉應力造成的影響(見圖4)。

(a) 工況1 (b) 工況2

(c) 工況3 (d) 工況4

(e) 工況5

5 成果分析

裂縫發生處與計算結果進行對比：2、12號壩段高程785.0 m處分別有1條水平向裂縫，計算結果中最大拉應力0.2 MPa，最大壓應力2.9 MPa；拉、壓應力值均較小，與裂縫無吻合性。高程773～774 m附近共有5條水平向裂縫，分別在3、5、10、11號壩段，其中11號壩段有2條，各工況下最大拉應力在0.4～0.6 MPa之間，最大壓應力在2.6～2.9 MPa之間；5號壩段裂縫位置在正常水位+溫降工況正好是拉應力極值出現位置，與計算結果有較好的符合性。另外，還發現溫升工況下在高程770～790 m有1個長條形的拉應力帶，拉應力在0.2～0.47 MPa，應力值雖不大，但范圍廣，推斷是此高程下有5條水平向裂縫的原因。3號壩段高程764 m處有1條水平向裂縫，各工況下最大拉應力0.80 MPa(死水位+溫升)，最大壓應力3.2 MPa，此裂縫處的拉應力較大。從應力云圖上看，越靠近壩基拉應力越大，有出現裂縫的可能性，與實際情況有較好的吻合度(見表3)。

由上述分析可知，計算結果與裂縫出現位置吻合度總體較好，8條裂縫中有2條與計算結果有校好吻合度，拉應力值均超過0.5 MPa，分別為HF3、HF1；另外高程773 m附近有4條水平向裂縫，計算結果中此范圍有1個長條形的拉應力帶，有一定的吻合性；其他2條裂縫未發現吻合情況。

現場發現裂縫基本呈水平，形狀規整，多數有少量白色析出物，裂縫發生處基本是水平施工縫冷縫處。在澆筑塊的結合面，與其他整體澆筑的混凝土塊相比，施工縫是薄弱面，故而更容易出現裂縫。由于溫度荷載的計算采用規范值，日照溫差影響定為1～2 ℃，現場實際影響遠大于這個溫差，推斷壩體運行期間的溫度荷載比計算值大[5]，故而壩體承受的拉應力極有可能比計算值大，產生裂縫。

結合監測資料，裂縫寬度與溫度呈正相關性，壩體下游面裂縫屬施工冷縫處的溫度裂縫，形成貫穿性裂縫的可能性較小，危害程度較小。由于橫縫、施工冷縫是結構性的，而且其產生裂縫的原因很難或無法消除，故即使經灌漿加固仍有反復開裂的可能，其處理原則應是限制其發展，減少漏水帶來的危害[3]；根據此條原則對高嶺頭一級水電站拱壩裂縫處理及運行提出相關建議。

表3 計算結果與裂縫位置對比分析

6 結 語

(1)壩體裂縫與氣溫呈正相關性。

(2)高嶺頭一級水電站拱壩下游壩面裂縫屬溫度裂縫，溫差引起的拉應力造成壩體施工冷縫薄弱面出現裂縫，形成貫穿性裂縫的可能性小，危害程度不大。

(3)壩體裂縫出現位置與應力計算結果有一定的相關性，極端氣溫下關注應力集中區域如770～790 m高程段，新裂縫的產生及老裂縫開展情況。

(4)裂縫大部分發生在施工期造成的混凝土塊的結合面，監測結果穩定，無不良趨勢，危害性較小，可不進行處理；但應避免在極端氣溫高水位下運行，防止裂縫進一步開展，出現漏水現象。