溢流壩邊墩裂縫成因分析

陳小平，胡杰

（韶關市水利水電勘測設計咨詢有限公司惠州分公司，廣東 惠州 516001）

1 工程概況

混凝土邊墩產生裂縫的原因有很多，主要影響因素有材料、施工、環(huán)境、結構及荷載因素，裂縫產生的根本原因是混凝土結構中的應力超過了強度。以惠州某水庫重力壩為例，分析其溢流壩段邊墩裂縫成因，河床溢流壩段跨2#～4#壩段布置，跨中分縫，采用2孔開敞式溢流壩型，堰面采用WES曲線，堰頂高程73.00m，每孔凈寬12.00m，中墩厚3.00m，邊墩厚1.50m，總寬度30.00m。溢流壩堰頂設兩扇12m×9m（寬×高）的弧形閘門控制水庫水位及泄洪，采用兩臺卷揚機啟閉。現(xiàn)狀裂縫位于溢洪道左側邊墩靠近閘門處，邊墩內側長14.96m，外側長1.98m，表面縫寬3.80 ～3.86mm，在閘墩頂部貫穿閘墩，見圖1。

圖1 邊墩裂縫示意圖

裂縫寬度：本裂縫寬度最大為0.39 cm，位于邊墩頂部。

裂縫長度：自邊墩頂部沿兩側分別向下發(fā)展，內側長14.96m，外側長1.98m。

貫通情況：頂部可見貫通（貫通深度按常規(guī)檢測方法未能得到），根據(jù)74.80m高程及82.00m高程處在左邊墩內側進行水平孔取芯探測結果，通過鉆孔取芯及沖洗水滲漏初步說明該裂縫上部基本貫穿或存在貫通現(xiàn)象。

開裂部位情況：縫內無異物，無鹽析，鋼筋輕度銹蝕。

設計資料調查：邊墩頂高程為90.20m，邊墩混凝土等級為R28150，裂縫附近85.00 ～90.20m高程段水平、豎直向均沒有配筋，溢流堰頂73.00 ～85.00m高程段邊墩內外側水平向配筋為φ12@300mm，豎直向配筋為φ16@300mm。

結構使用及環(huán)境狀態(tài)調查：邊墩主要承受的荷載有自重、啟閉力、水平水壓力、工作橋、啟閉室自重、弧形閘門推力、風荷載等。因建庫以來經(jīng)歷最高水位為83.17m，未達到設計洪水位，初步判斷邊墩實際所受荷載未超過設計荷載。運行期以來最高日平均氣溫為35.20 ℃，最低日平均氣溫為2.90 ℃，多年平均日平均氣溫為22.40 ℃。

根據(jù)上述分類條件及調查分析，可初步定義此工程溢洪道左邊墩裂縫為活縫、溫度裂縫（需一定時間的監(jiān)測資料才能判定是否為增長縫），主要成因是外部溫度變化，次要原因可能與邊墩上部沒有配筋、2013年遭遇特大洪水時閘門開啟引起的振動有關，需要進一步分析論證。

此次裂縫成因分析，根據(jù)相關規(guī)范，弧門支座及扇形受拉區(qū)采用材料力學法復核；而邊墩屬于非桿件的塊體結構，受側向力、縱向力、豎向力及自重同時作用，邊墩的應力采用三維有限元分析，得閘墩應力分布圖。

2 研究過程

2.1 閘墩材料力學分析

溢流壩堰頂高程為73.00m，閘門尺寸為12m×9m（寬×高），閘門頂高程為82.00m，閘門最大擋水高度為9m，此次計算考慮最大擋水高度時的弧門推力，考慮閘門受靜水壓力、自重、啟閉力作用。

弧形閘門所受的水壓力，由閘門的支臂傳到支鉸，支鉸置于牛腿上，牛腿與閘墩澆筑成一體，然后用扇形布置的鋼筋把集中力傳遞到閘墩的上游部分。

①弧形閘門支座局部受拉區(qū)裂縫復核：閘墩受一側弧門支座推力作用時，弧門支座推力為2638.27 kN，邊墩推力允許值為1788.40 kN，中墩推力允許值5993.50 kN；閘墩受兩側弧門支座推力作用，中墩推力允許值為4704.00 kN，即可知中墩弧門支座附近的閘墩局部受拉區(qū)的裂縫滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，但邊墩弧門支座附近閘墩的局部受拉區(qū)的裂縫不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，分析原因是邊墩厚度及弧門支座寬度偏小。

②閘墩局部受拉區(qū)扇形局部受拉鋼筋截面復核：經(jīng)計算，閘墩受兩側弧形門支座推力作用，按現(xiàn)有配筋支座推力計算允許值2072.69 kN，設計值為3561.66 kN，閘墩受一側弧形門支座推力作用，按現(xiàn)有配筋支座推力計算允許值1152.20 kN，設計值為3561.66 kN，故局部受拉區(qū)扇形局部受拉鋼筋截面不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

③弧門支座的縱向受力鋼筋截面面積復核：弧形支座牛腿縱向受力鋼筋單寬截面面積設計值3742.96mm2，實配單寬截面面積4362mm2（5φ25+6φ25），泄洪閘弧形閘門支座的縱向鋼筋截面面積滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

2.2 邊墩有限元計算

2.2.1 有限元模型及工況

2.2.1.1 有限元模型建立

使用Abaqus CAE有限元軟件，根據(jù)設計圖紙模擬閘墩結構。為計算簡便，在保證上部裂縫影響范圍構件尺寸準確的前提下，對模型做出適當簡化。其中，閘墩進口弧形簡化為折線型、閘墩左岸壩體軸向長度簡化為8m、模型以高程43m平面作為基礎固定端。模型底部固端約束，溢流堰、閘墩、壩體之間為“綁定”約束，交界面處應力傳遞且變形協(xié)調。各部分構件材料以線彈性材料模擬，屬性設定如下：材料為R28150混凝土，密度2500kg/m3，彈性模量2.20 E10（Pa），為0.167 。有限元網(wǎng)格劃分單元尺寸約為0.50m，局部加密至0.30m左右。共劃分節(jié)點45770個，單元35231個。

2.2.1.2 荷載及工況

模型荷載大小及作用位置見表1。

表1 結構荷載作用表

依據(jù)ABAQUS分步創(chuàng)建三種荷載工況用于分別模擬不同時期結構受力，工況選定見表2。

表2 計算工況表

2.2.2 有限元靜力分析結果

以閘墩頂部裂縫位置作為平面截斷閘墩取上游側進行進一步分析。以閘墩頂部裂縫處單元作為分析對象，查看對應工況下截面的應力狀態(tài)。不同工況下閘墩頂部S11云圖見圖2為不同工況，其中S11應力大小，即混凝土開裂方向，正值為拉力，負值為壓力。

圖2 工況1、工況2、工況3閘墩頂部S11云圖

可以看出，3種工況下，閘墩頂部裂縫部位附近均呈現(xiàn)拉應力狀態(tài)，由頂部向中部發(fā)展逐漸增大，但增幅較小。閘墩頂部裂縫位置單元最大、最小應力值為：工況1，最大/最小應力為68.60 /0.10 kPa；工況2，最大/最小應力為67.80 /-1.00 kPa；工況3，最大/最小應力為55.70 /-10.60 kPa。

2.2.3 有限元溫度分析

由于當?shù)啬隃夭罴叭諟夭钶^大，閘墩上部與溢流堰及左岸壩體存在一定溫差，閘墩頂部內外混凝土也會存在溫差，可能引起閘墩混凝土較大應變值，從而導致開裂。但由于具體溫差大小和閘墩熱傳導率、比熱容等參數(shù)均無法準確獲知，無法進行精確的有限元熱力學分析。因此此節(jié)僅根據(jù)混凝土膨脹系數(shù)和可能的溫差值進行定性的簡單有限元熱力學分析，分析結果供參考。

下面根據(jù)上述工況2作為基本受力條件。根據(jù)中國現(xiàn)有部分大壩的熱膨脹系數(shù)，取此工程膨脹系數(shù)為9E-06m/℃。將結構分為閘墩、溢流堰、左岸壩體三部分進行溫度賦值，溫度取值見表3。初始溫度為20℃。

表3 結構溫度變化工況表

根據(jù)計算結果將閘墩頂部裂縫部位應力S11、應變E11值匯總見表4。

表4 不同溫差工況結構應力、應變值表（裂縫位置）

由上表可知，在工況e的情況下，最大應變值超過了C15混凝土極限拉伸值（約70E-6）。極限拉伸值是衡量混凝土抗裂性能的重要指標。根據(jù)結果的變化趨勢和經(jīng)驗，可以認為混凝土在溫度變化較大時會產生較大應變值，當結構受到超靜定約束時，會限制其自由膨脹收縮，當應變值超過混凝土極限拉伸值，且反復漲縮循環(huán)時便可能會在薄弱處產生裂縫。經(jīng)對比，此項目閘墩鋼筋配置不能滿足現(xiàn)行規(guī)范對溫度裂縫配置要求。

根據(jù)以上有限元分析結果可知，閘墩頂部在完建期和擋水工況均產生較小拉應力值，范圍值為0～70kPa左右，該拉應力會使非配筋區(qū)域及其與配筋區(qū)域交界處成為薄弱地帶。推測閘墩產生拉應力的可能原因為閘墩上游牛腿型結構以及上部結構荷載，閘門支座推力對之影響有限。另外，當?shù)販囟茸兓^大，可能會使閘墩混凝土產生反復的膨脹收縮，與結構受力相結合時便可能在薄弱處產生裂縫。

3 分析結果

從已有的水庫大壩裂縫寬度監(jiān)測資料可知，大壩裂縫呈周期性發(fā)展，主要受溫度、濕度影響。結合上述對溢洪道左邊墩裂縫的成因分析，得出以下結論。

①該裂縫同其他裂縫一樣，裂縫發(fā)展受季節(jié)性影響較大，可能會呈現(xiàn)縫寬周期性變化。

②當水庫遭遇特大暴雨時水位極速增加的短暫工況，受高水位擋水及泄洪閘門啟閉影響，該裂縫可能會進一步發(fā)展。

③因裂縫位于閘門槽與支座之間，裂縫的持續(xù)發(fā)展可能會對閘門啟閉產生一定的影響；裂縫的存在與持續(xù)發(fā)展，使裂縫的上游側邊墩結構變?yōu)橄露斯潭ā⑸舷掠蝹茸杂傻膽冶蹓Γ叾諏χ胤植迹捎谶叾账軕Ω淖儗τ谝缌鲏味嗡芎奢d影響較小（水平水壓力荷載占2%），故該裂縫不影響壩體的整體穩(wěn)定性。

4 結論

①邊墩頂部混凝土裂縫的最大寬度為0.39 cm，大于規(guī)范規(guī)定的最大裂縫寬度限值（wlim）0.30mm，不滿足規(guī)范要求。②初步定義溢洪道左邊墩裂縫為活縫、溫度裂縫（需一段時間的監(jiān)測資料才能判定是否為增長縫），主要成因是外部溫度變化。③初步分析該裂縫將同其他裂縫一樣，裂縫發(fā)展受季節(jié)性影響較大，縫寬可能會呈周期性變化；當水庫遭遇特大暴雨時水位急增長的短暫工況，受高水位擋水及泄洪閘門啟閉影響，該裂縫可能會進一步發(fā)展。④裂縫的存在及發(fā)展影響結構的耐久性、美觀，但不影響壩體的整體穩(wěn)定性。⑤建議加強裂縫寬度監(jiān)測，掌握裂縫動態(tài)變化；盡快實施安全加固。