高拱壩橫縫灌后二次張開現象成因及處理

程 立，武 明 鑫，趙 全 勝

(水電水利規劃設計總院，北京 100120)

0 引 言

近年來，中國已陸續建成二灘、拉西瓦、大崗山、構皮灘、小灣、錦屏一級、溪洛渡、烏東德、白鶴灘等多座超200 m級高拱壩，楊房溝高拱壩已全線澆筑到頂，葉巴灘、孟底溝、旭龍特高拱壩也已開始建設，可見中國高拱壩的勘察、設計、施工及科研水平已領跑世界[1]。但在大崗山、錦屏一級、溪洛渡、楊房溝、白鶴灘等高拱壩建設過程中，出現的橫縫接縫灌漿后二次張開現象仍然困擾著工程建設。橫縫灌漿后二次張開，開度過大、處理不及時可能破壞橫縫止水，造成壩體滲水、水力劈裂破壞，也可能造成局部應力集中，影響拱壩變形協調和整體受力。

常規混凝土高拱壩受溫控防裂、澆筑強度等限制，壩體混凝土一般采用分縫澆筑，由多條徑向或近似徑向的橫縫將拱壩分為若干壩段，其中高拱壩橫縫間距(壩段寬度)宜為15～25 m，橫縫面應設鍵槽并埋設灌漿系統[2]。待壩體混凝土溫度冷卻至設計封拱溫度后，混凝土得到充分收縮，橫縫張開值亦趨于穩定，再進行接縫封拱灌漿。在封拱灌漿前，已接縫高程以上壩段為懸臂梁結構受力形式，承受荷載以混凝土自重為主，溫度應力次之。封拱灌漿后，已接縫各壩段整體受力，拱壩受力狀態可簡化為“拱、梁分載”模型。蓄水后拱壩承受荷載主要包括混凝土自重、水荷載和溫度應力。

高拱壩建設周期長，通常采用分高程分區接縫灌漿和分階段蓄水，大壩施工和加載過程復雜，橫縫的開合狀態、灌漿時機及傳力機制是拱壩工作性態的關鍵問題之一，也是工程和學術界關注的重點。朱伯芳[3]提出通過有限厚度接縫單元分析橫縫對拱壩工作狀態的影響，認為帶有鍵槽的橫縫灌漿后對壩體應力和變形的影響是很小的。張漢云等[4]研究了橫縫鍵槽對壩體應力變形及橫縫開度的影響，認為橫縫間摩擦系數對壩體整體應力變形影響不顯著。周偉等[5]、樊啟祥等[6]、韓曉鳳等[7]基于有限元法，提出不同的橫縫縫面模型，模擬了橫縫隨施工過程中混凝土溫降和蓄水位上升的開合過程，并對提高橫縫可灌性提出了建議。孫林松等[8]、李建新等[9]則分別使用線性互補模型和GAP單元，模擬了橫縫的“初始間隙”質量問題對拱壩應力位移的影響。張國新等[10]分析了拉西瓦拱壩在夏季接縫灌漿對壩體溫控及應力的不利影響，并提出了加強混凝土澆筑時表面保溫等應對措施。

針對橫縫灌后二次張開現象機理及影響，現已開展的系統性研究不多，尚未有統一的結論。如楊驍勇等[11]、湯榮等[12]基于監測資料對橫縫二次張開原因進行了分析，認為壩體施工期向上游傾斜變形、溫度影響、施工擾動等均是橫縫二次張開的原因。也有學者基于數值仿真對橫縫增開影響因素進行了模擬，胡昱等[13]認為縫面蓄能過多、通水檢查等是二次橫縫增開的主要成因；李梁等[14]認為二次張開受施工擾動影響較大，且自生體積變形、徐變也是內部因素。

本文通過調研大崗山、楊房溝、錦屏一級等高拱壩建設過程中橫縫接縫灌漿后二次張開現象，并對其處理措施、張開原因及影響等進行系統的總結分析，以為后續類似高拱壩建設提供參考。

1 高拱壩橫縫二次張開實例

1.1 大崗山拱壩

大崗山拱壩最大壩高210 m，壩頂高程1 135.00 m，大壩混凝土設計澆筑量315萬m3。壩體共設置28條橫縫，橫縫間距約22 m。接縫灌漿共分21層，計365個灌區，灌區高度9～12 m。2011年9月下旬大壩混凝土開始澆筑，2014年10月底混凝土全線澆筑到頂。2014年12月導流洞下閘，2015年5月底導流底孔下閘，大壩澆筑到頂后在較低水位運行約6個月(最高水位約1 015.00 m)，2015年10月底蓄水至正常蓄水位1 130.00 m。

大壩接縫灌漿后至導流底孔下閘前，橫縫增開度在-0.58～1.63 mm之間，其中閉合縫面占比 39.8%，增開度小于0.1 mm占比32.3%，在0.1～0.3 mm之間占比16.5%，大于0.3 mm占比11.4%(大于1.0 mm占比0.7%)[15]。橫縫灌后二次張開灌區主要位于高程1 030 m以下和1 054～1 090 m之間，其中深孔部位橫縫增開較明顯，增開度大于1.0 mm測點全部位于壩體中間高程12～16號灌區；且橫縫上游側增開測點居多，占比76.8%，其次為下游側，中部縫面基本無增開現象。

對大崗山拱壩橫縫灌漿后有2個及以上測點增開度大于0.3 mm，和廊道附近有測點增開度大于0.3 mm 的灌區進行補灌處理；單測點增開度大于0.3 mm但不在廊道附近的灌區不需另行處理。大部分灌區使用濕細磨水泥漿液補灌，個別灌漿困難灌區采用化學灌漿。補灌后測縫計增開度變化量在-0.75～1.10 mm 之間，其中64.5%測點灌后變化量在±0.05 mm以內。

導流底孔下閘后，隨著庫水位上升，監測資料表明壩體橫縫主要為壓緊或接觸狀態(開合度小于0.125 mm)，大部分測點呈閉合趨勢。隨著壩前水位抬高，壩體拱作用凸顯，橫縫主要表現為壓緊或閉合狀態，運行狀態正常。

1.2 楊房溝拱壩

楊房溝拱壩最大壩高155 m，壩頂高程2 102.00 m，壩體混凝土總方量86萬m3。壩體共設置16條橫縫，橫縫間距19.0～22.5 m。接縫灌漿共分16層，152個灌區，灌區高度7.5～14.0 m。2018年10月大壩混凝土開始澆筑，2020年12月混凝土全線澆筑到頂。2020年12月底導流洞下閘蓄水，2021年7月首次蓄水至正常蓄水位2 094.00 m[16]。

橫縫接縫灌漿后，監測發現壩體橫縫存在較明顯的二次張開現象，測縫計灌后增開值分布見圖1。92.4% 測縫計監測到的增開度在0.3 mm以內，4.2%測縫計實測到的增開度在0.3～0.5 mm之間，3.4%測縫計實測到的增開度大于0.5 mm(見圖1)。橫縫出現灌后二次張開的部位主要位于4～13號橫縫的第1～9層灌區；橫縫同一高程的開度沿上游、中部、下游呈遞減趨勢。

大壩橫縫二次增開度較大且集中的部位有3處，且均有短時開度突變現象：9號橫縫最底部4個灌區增開度最大達2.03 mm，主要發生在2019年12月6～14日，期間增幅1.50 mm；11號橫縫最下部4個灌區增開度最大達1.96 mm，主要發生在2020年6月12～20日，期間增幅1.80 mm；12號橫縫第9層灌區增開度最大達2.00 mm，主要發生在2020年9月4～12日，期間增幅達1.70 mm。

對于第1～4層灌區所有二次張開橫縫和第5～10層灌區測縫計灌后增開度不小于0.3 mm的橫縫，采用環氧樹脂進行了補充化學灌漿。橫縫二次張開區域共檢查了75個灌區，按要求對其中22個灌區進行了環氧樹脂補灌處理。

補灌注入量換算開度值占補灌開度值的10.9%，換算面積平均值占設計灌區面積平均值的19.4%，表明橫縫二次張開是個別灌區的局部現象。補灌后橫縫增開度變化量在-0.61～0.14 mm之間，橫縫總體呈壓縮狀態。2020年底啟動第一階段蓄水后，監測結果表明橫縫也進一步呈壓縮狀態。

1.3 錦屏一級拱壩

錦屏一級拱壩最大壩高305 m，壩頂高程1 885 m，大壩混凝土設計工程量476.5萬m3。壩體共設置25條橫縫，橫縫間距20～25 m。2009年10月下旬大壩混凝土開始澆筑，2013年12月底混凝土全線澆筑到頂。2012年11月導流洞下閘蓄水，2014年8月蓄水至正常蓄水位1 880.00 m。

大壩澆筑過程中，2011年8月上旬、11月上旬和12月上旬，左岸10號橫縫測縫計連續產生3次突變，突變值分別為1.10～2.88 mm、0.63～1.71 mm和0.56～1.05 mm[11]。最后一次突變時，接縫灌漿至高程1 691 m，突變的影響范圍為高程1 675.7～1 747.7 m，其中下部已灌區域部分橫縫產生二次張開，最大量值在0.5 mm以上。

技術人員對10號橫縫出現二次張開的4個灌區采用了化學灌漿補強處理。蓄水及運行階段，10號橫縫各測縫計開度均無明顯變化。

2 橫縫二次張開成因探討

拱壩橫縫接縫灌漿漿液一般為水泥漿，粘結能力有限，抗拉強度較低，易受擾動而張開，而拱壩作為超靜定結構，承受荷載情況十分復雜，因此橫縫二次張開的原因可能較多，下文分別從壩體不利應力狀態、附近區域施工擾動、環境溫度影響及混凝土自生體積變形4個方面展開分析。

2.1 壩體不利應力狀態

在建設期空庫，或低水位和部分壩段懸臂高度較大時，高拱壩壩體應力狀態以梁向應力為主，拱作用較小，壩體向上游傾倒，縫面壓應力較小，處于不利受力狀態。這是外部施工、環境溫度等條件稍有擾動的情況下縫面開度發生變化的內在原因。隨著大壩蓄水，壩前水位抬高，不利應力狀態會隨之改善，橫縫二次張開的可能性及影響會降低。

一般來說，壩體倒懸的影響范圍主要為河床中部壩段的中低高程；蓄水后隨著壩前水位抬高，壩體受力情況會得到明顯改善，橫縫呈壓緊趨勢。如圖2所示，白鶴灘拱壩有限元計算成果表明，在空庫工況上游壩面主拉應力量值雖然較小，但拉應力范圍較大，主要分布在中部壩段中低高程；正常蓄水位時，上游壩面普遍受壓，僅壩踵局部存在小范圍拉應力區[17]。

大崗山拱壩施工期監測結果也表明蓄水前大壩有向上游傾斜變形的趨勢。大壩倒懸導致壩體最大應力變形均發生在底孔壩段上游側，而底孔部位橫縫灌后二次張開情況也明顯多于其他部位，且量值較大。

楊房溝拱壩有限元計算表明，倒懸作用明顯的區域集中在高程1 970～2 000 m區間，且對9號橫縫張開影響最大；再疊加溫度荷載作用，上下游面附近及灌區交界面有局部拉應力，發生在壩體表面。監測表明，二次張開橫縫在同一高程的增開度沿上游、中部、下游呈遞減分布，這與拱壩倒懸的受力狀態是一致的。

在施工過程中，錦屏一級拱壩發生二次張開的10號橫縫左右兩側壩段形成高差最大近70 m的高懸臂，惡化了橫縫處應力狀態。

拱壩受力狀態和橫縫開度的關系亦可參考二灘拱壩橫縫案例[18]。二灘拱壩最大壩高240 m，壩頂高程1 205.00 m，在完成高程1 175 m以下接縫灌漿后導流底孔下閘，壩前水位快速升高導致高程1 175～1 190 m之間的橫縫尚未灌漿就被壓緊，難以繼續接縫灌漿。最后采取了對未灌區域14～26號壩段澆筑超冷混凝土(比設計溫度低3.6 ℃)、降低壩前庫水位(1 155.00～1 160.00 m)、提高灌前泵送水壓力(≤2 MPa)和灌漿壓力(2.5～2.7 MPa)等措施，橫縫開度增加后方完成了后續接縫灌漿。該案例實際上是橫縫灌后二次張開的一種反例，進一步表明及時蓄水有助于避免或緩解橫縫二次張開現象。

因此，高拱壩在完成中下部高程封拱灌漿且沒有蓄水之前，是相對不利的受力工況，對壩高200 m級的特高拱壩來講，此時完成封拱高度基本已超過100 m。該階段的拱壩臨時體型在前期設計階段就應引起關注，進行壩體應力狀態復核。施工階段，要根據拱壩建設實際體型，加強監測和計算復核，并在具備條件時，應盡早破堰抬升壩前水位，改善壩體應力狀態，有效降低橫縫二次張開等不利影響。

2.2 附近區域施工擾動

相鄰灌區接縫灌漿、附近壩基固結灌漿或帷幕灌漿的施工工藝控制不理想，出現灌漿異常情況是灌后橫縫二次張開的主要因素，且開度值具有“突變”特征。

在大崗山拱壩，2012年11月中旬14號橫縫附近壩基帷幕灌漿施工導致14號橫縫低高程的4個灌區橫縫增開值突變，最大約1.16 mm(見圖3)；2014年2月下旬，21號壩段11號灌區接縫灌漿過程中下部已灌的10號灌區增開度發生突變，11號灌區接縫灌漿結束后，10號灌區增開度開始穩定。

在楊房溝拱壩，2019年12月9號橫縫最底部4個灌區開度突變時，相鄰壩基正在進行帷幕灌漿施工，其中緊鄰9號橫縫的主帷幕孔灌漿量明顯偏大(見圖4)。

錦屏一級拱壩二次開度突變時機也與橫縫接縫灌漿施工和壓水檢查有一定關聯。

綜合分析大崗山、楊房溝、錦屏一級等拱壩橫縫測縫計監測數據，部分橫縫的灌后二次張開主要是由一次或多次突變組成，突變時間與臨近區域的接縫灌漿、固結灌漿、帷幕灌漿等施工存在一定重合。且施工因素造成的橫縫灌后二次張開現象一般具有測值突變、量值較大且變形難以恢復的特征。

另一方面，工程實踐中橫縫二次張開是部分高拱壩出現的個別現象，說明目前高拱壩橫縫接縫灌漿及壩基固結灌漿、帷幕灌漿的施工工藝、參數及檢查方法是符合工程實際情況的。但在各類灌漿施工過程中若出現灌漿失壓、管路堵塞、注水或注漿壓力過大等異常情況，可能會觸發臨近區域已灌橫縫的二次張開。因此，在已灌橫縫附近進行各類灌漿施工時，應注意施工過程質量控制，出現異常情況及時處理。

2.3 環境溫度影響

目前高拱壩施工已普遍引入智能溫控系統，溫控質量達到較高的水平，同時橫縫接縫后混凝土內部溫度也有一定回升[19-20]，拱壩表面保溫技術也不斷提高，正常情況下混凝土內部溫度變化不會是橫縫二次張開的主要原因。例如，楊房溝拱壩混凝土施工引入智能溫控系統，壩體混凝土溫度控制效果良好，封拱溫度均滿足設計要求，灌后混凝土內部溫度略有回升，總體較為平穩，無明顯異常。

但若壩面局部保溫功能失效，并遇上較大的突發寒潮時也可能使壩面局部溫度突降，壩體混凝土收縮，進而造成壩內橫縫二次張開，此時主要是橫縫靠近壩面部位張開，而橫縫測值相對穩定。另外夏季接縫灌漿時外部環境溫度高，也可能會誘發橫縫二次張開。

大崗山拱壩在2013年11月入冬后，多支已灌區橫縫的測縫計監測到的開度持續增大，且測值發生較大變化的測縫計均位于橫縫偏上、下游側，距離壩面約3～4 m，中間部位測縫計數據變化較小。現場監測還發現，部分在夏季高溫季節進行接縫灌漿施工的橫縫灌后增開度達到0.3 mm，表明高溫季節進行橫縫灌漿施工，灌后壩段混凝土收縮更明顯，直接影響灌后橫縫二次張開。張國新等[10]研究了拉西瓦拱壩灌漿時機，認為夏季灌漿壩塊表面溫差及溫差沿橫縫的梯度均大于其他季節，夏季灌漿壩塊表面拉應力最大值達2.25 MPa，可造成橫縫二次張開，但可通過封拱灌漿時灑水噴霧冷卻、加強混凝土表面保溫等措施解決。

針對高溫季節進行接縫灌漿的相關要求，SL 282-2003《混凝土拱壩設計規范》規定“高溫季節進行壩段接縫灌漿時，應做好壩體表面保溫”。近年來隨著大壩混凝土溫控和表面保溫技術水平的不斷提高，現有規范已取消了相關規定。但是在高溫季節灌漿時，仍應高度重視混凝土溫控措施，加強混凝土表面保溫工作。

2.4 混凝土自生體積變形

混凝土自生體積變形可能是橫縫灌后二次張開的影響因素。試驗成果表明：大壩混凝土自生體積變形特征一般為先收縮后膨脹，若接縫灌漿后自生體積變形仍處于收縮狀態，也可能造成橫縫二次張開現象?；炷磷陨w積變形隨齡期的變化特征與水泥、骨料、粉煤灰、外加劑等特性及摻量密切相關[21-22]，需結合不同工程實際情況具體分析。工程實踐中，應盡量選擇后期自生體積變形具有膨脹特性的水泥。

3 處理效果及影響分析

從接縫灌漿機理和拱壩壩體受力的角度分析，由于灌漿難以提供與壩體混凝土相當的抗拉強度，本質上接縫灌漿不在于對相鄰壩段進行“粘結”，而是起到對橫縫進行“充填”保護的作用，進而在蓄水時壩體充分發揮拱作用，并控制變形。

對于灌后二次張開的橫縫，如不進行補充灌漿以充填橫縫，在蓄水前留下初始“間隙”，在蓄水后該橫縫也會受到壓力呈壓緊趨勢，但相比于大壩接縫后“拱梁分載”的整體受力，會呈現“先梁后拱”的受力過程，即梁向荷載會偏大。另外在橫縫閉合壓緊的變形過程中，大壩發生的是非彈性變形，局部可能會產生應力集中或變形偏大，間隙位置不對稱還可能造成大壩整體變形不對稱[8]。另一方面，庫水沿著“間隙”深入橫縫內部，則可能破壞止水結構形成水力劈裂，破壞壩體完整性。

在大崗山、楊房溝、錦屏一級等拱壩發現橫縫灌后二次張開后，均及時進行了補充灌漿處理。本身橫縫二次張開就是局部現象，增開度比較小，連通性和可灌性也較差，大崗山和楊房溝拱壩以張開度0.3 mm為標準，對部分橫縫增開的灌區進行了濕細磨水泥漿液或化學灌漿補灌，錦屏一級拱壩也針對開度異常的橫縫進行了補充灌漿。補灌處理后，幾個工程均順利蓄水，橫縫呈壓緊狀態，大壩工作狀態正常。

4 結論與建議

(1) 高拱壩橫縫接縫灌漿后二次張開現象是由壩體在空庫或低水位的不利受力狀態時，臨近區域施工擾動、環境溫度、混凝土自生體積變形等一種或多種因素造成。目前通過采取細磨水泥灌漿或化學灌漿進行補強，可達到較好的處理效果，蓄水后壩體橫縫將進一步擠壓，不影響拱壩蓄水及長期運行安全。

(2) 空庫倒懸是拱壩的相對不利受力狀態，該狀態下壩面拉應力或低壓應力區范圍較大，可能導致橫縫二次張開，甚至壩面產生裂縫等。對于高拱壩在該施工階段的臨時體型，在前期設計階段就應引起關注，進行必要的壩體應力狀態復核。拱壩建設過程中應做好大壩混凝土澆筑、接縫灌漿及蓄水規劃的協調工作，及時結合拱壩實際荷載情況進行受力狀態分析。在具備條件時，盡早啟動基坑進水、抬升壩前水位，及時接縫灌漿、避免相鄰壩段懸臂高差過大，使壩體處于較理想的受力狀態。

(3) 橫縫灌后開度測值發生突變，可能是由臨近區域接縫灌漿或壩基固結灌漿、帷幕灌漿的施工、壓水擾動造成。隨著施工質量水平的提高，目前各類灌漿的工藝、參數及質量檢查措施是符合工程實際情況的，橫縫二次張開現象是在灌漿施工過程中出現管路堵塞、灌漿壓力過大等異常情況造成的個別現象。在橫縫臨近區域灌漿時需加強施工工藝控制和質量管理，出現異常情況及時處理。

(4) 拱壩混凝土澆筑后，應及時張貼表面保溫板并在寒冷季節加強巡視維護，防止氣溫驟降引起壩面橫縫二次張開。若高溫季節進行接縫灌漿，需根據工程具體的氣溫條件，制定合適的混凝土表面保溫及冷卻養護措施，盡量采用智能溫控系統，并在灌漿施工時采取噴水冷卻等措施降低輻射溫度，防止冷熱倒灌。

(5) 發現橫縫灌后二次張開現象時，應及時查明縫面實際張開情況，研究補灌處理措施，優先采用磨細水泥進行補灌?；瘜W灌漿材料彈模遠小于水泥材料，只能起到填充作用，不利于大壩變形協調，只用于對難以處理的局部細小縫隙進行灌漿填充。對于二次增開度小于0.3 mm的局部縫面，研究后可以建議不作處理。