混凝土拱壩裂縫分析論文

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1工程概況

豐樂水庫位于安徽省黃山市巖寺區境內豐樂河上，距黃山東南約50km，是一以防洪、灌溉為主結合發電的綜合利用工程，水庫尾水流入新安江水庫。水庫總庫容8400萬m3，壩址以上控制流域面積297km2，為中型三等工程。水庫校核洪水位（500年一遇）為210．6m，設計洪水位為208．8m，正常蓄水位為201．0m，死水位為183．0m。

豐樂水庫大壩為變圓心變半徑的等厚拱混凝土雙曲拱壩，壩頂高程211．0m，壩底最低高程157．0m，最大壩高54．0m；壩頂厚2．5m，壩底厚12．5m，厚高比0．23；壩頂弧長216．15m，壩頂弦長168．2m，弧高比4．0，弦高比3．1。大壩沿拱壩軸線分為16個壩塊，各壩塊寬約12m。拱壩的結構尺寸見表1。

壩頂設有開敞式自由挑流溢洪道，溢流壩段弧長56．1m，堰頂高程204．0m，最大泄量2060m3／s。

大壩于1973年1月開始混凝土澆筑，1976年6月完成大壩混凝土施工，1978年3月大壩橫縫重復灌漿結束，至此，拱壩已形成整體結構，具備蓄水運用條件。但因庫內公路改線工程未能按期完成，為維持屯溪市至黃山的公路交通，壩內放水底孔一直敞開，水庫遲遲不能蓄水。1978年夏季，該地區出現百年不遇的長期高溫干旱氣候，水庫同時處于空庫狀態，致使壩體長期處于空庫＋自重＋溫升荷載組合下運行。1978年冬季在左、右岸下游壩面分別出現9條和3條裂縫，后于1986年進行了裂縫灌漿處理。

大壩裂縫分布見圖1。圖中裂縫編號1～20系1979～1986年間年出現的，其中有12條裂縫即為1978年冬季在下游壩面產生的（左岸9條、右岸3條）；圖中未編號的裂縫是1986～2001年間發展的裂縫。

2壩身裂縫及其發展

2．11986年灌漿前下游壩面裂縫狀況

由于1978年夏季高溫干旱，大壩處于空庫狀態，而拱壩較薄，拱圈曲率又較大，溫度荷載引起拱壩向上游變位，在下游壩面拱座附近產生較大拉應力。1978年5月7日到8月26日，在大壩左岸下游2號壩塊195m高程至6號壩塊165m高程發現裂縫，裂縫基本上平行于岸坡方向，總長度達80m左右，縫寬達1．0mm；右岸12號壩塊175m高程至14號壩塊176．3m高程裂縫沿175m高程水平建筑縫延伸29．35m長。1979年初用環氧樹脂封堵裂縫，當年10月發現裂縫繼續張開并向兩端延伸。1979年12月，南京水利科學研究所用超聲波對大壩左岸下游拱座附近184m高程裂縫進行探測，裂縫深度大于2．3m，該處壩厚6．9m。

由于大壩裂縫未能及時修補，1979年水庫蓄水后至1986年9月，大壩裂縫已發展到20條，總長度達260．8m，在裂縫和橫縫相交處，壩面潮濕、滲水，高水位時局部裂縫有噴射水霧現象。1986年冬季用改性環氧樹脂進行灌漿，共灌了19條裂縫，共計灌入改性環氧樹脂漿液331．2L，灌后縫面不再滲漏，通過超聲波檢測，大多數裂縫的波幅都有很大程度的提高，有的已接近無縫混凝土的波幅。

2．2壩身裂縫的發展

裂縫灌漿后，大壩運行一直比較正常。從1986年至1994年的觀測資料看，左岸壩后裂縫寬度有增大的趨勢，但沒有發現新的裂縫，已灌漿的裂縫也沒有被拉開。

1996年以后，下游壩面陸續發現新的裂縫，下游壩面漏水點增多，至2001年底共發現有40多處漏水點，并拌有白色的氫氧化鈣析出，部分裂縫和橫縫交叉處漏水，且滲水縫段較長，出現新的裂縫。2001年12月14日檢查發現，6號、8號、10號、11號壩塊出現水平裂縫或斜裂縫共6條，總長度28．1m。

2．3壩身裂縫的性狀

通過1979年和1986年分別由南京水科所和蚌埠水科所用超聲波對裂縫進行檢測，裂縫最大深度分別為2．3m和2．14m，縫寬不大于1．0mm，2002年初由淮河流域水工程質量檢測中心對新、老裂縫進行檢測，裂縫寬度為0．05～0．45mm。

從幾次裂縫檢測結果看，豐樂拱壩下游面裂縫均為表面裂縫。

3裂縫原因分析

3．11978年大壩裂縫分析

3．1．1拱壩體型對大壩變形的影響

豐樂拱壩是等厚圓弧拱，拱壩中心角較大，以196m高程拱圈為例，該層拱圈厚6．1m，拱圈中心半徑86．75m，中心角126°。如按目前的扁平拱壩布置，相同壩高處中心角約80°，拱圈中心半徑120．25m。可見，在拱圈厚度相同、跨度相同時，豐樂拱壩拱圈弧長比一般扁平拱壩多22．87m，在拱圈受到相同溫升荷載的作用時，豐樂拱壩拱圈向上游膨脹比一般扁平拱壩要大的多，而豐樂拱壩有六分之五的壩高段的中心角都大于120°，拱圈膨脹使下游壩面拱座附近產生的拉應力相當大。同時，豐樂拱壩是圓弧拱且中心角較大，造成左、右岸坡梁向上游倒懸度達到1∶0．33，在拱壩自重荷載作用下，左、右岸坡下游將產生0．7～0．8MPa的拉應力，并使拱壩產生向上游的變位。

3．1．2下游壩面溫度變化對拱壩應力的影響

豐樂河水在壩址附近由北向南流，拱壩中心線走向為NE18°25′，下游壩面朝南，在夏季高溫期間，陽光直射下游壩面。在空庫期間，上游壩面一直處在陽光照射不到的壩陰下，由于山區晝夜溫差較大，因此上游壩面溫度比下游壩面低得多；而兩岸坡梁又向上游倒懸，下游壩面接收陽光的熱量更多，上、下游壩面溫差更大。下游壩面溫度高于上游壩面，使岸坡梁向上游變形，在自重和溫升荷載作用下，用多拱梁法計算下游壩面的最大拉應力為3．56MPa，該計算結果還未考慮拱壩朝向和實際日照溫差的影響。

綜上所述，豐樂拱壩受體型及方位的制約，在空庫溫升條件下運行必然會產生裂縫。實際運行情況是，1978年8月26日在左、右岸坡發現的裂縫，即由上述原因所造成。因受上部拱圈的約束作用，岸坡梁向上游的變形受到限制，所以受拉裂縫沒有向壩的深部延伸。

3．2后期裂縫發展成因

豐樂拱壩由15條橫縫將大壩分成16個壩塊，每個壩塊的下游面寬度都小于12m。橫縫雖然經過接縫灌漿，但其承受拉應力的能力仍然低于壩身混凝土。從1986年以后壩下游面出現的36條豎向裂縫看，6號壩塊和4號壩塊中部都各有一條長12m和8m的長縫，其余34條豎縫長1～5m，縫寬0．05～0．45mm，縫深均小于2．0m，以上裂縫大多發生在河床至左岸壩塊。從裂縫分布和橫縫位置看，因較大的拱圈拉應力可以通過橫縫釋放，故兩橫縫之間的壩體混凝土不致被拉裂。

豐樂拱壩下游面朝南，拱冠附近壩體向下游倒懸，兩岸是拱座山脊，盛夏高溫期，下午2時至3時，壩下游好似大烤箱，行人不能停留，下游壩面溫度可達55～60℃。壩體內1．0m深處的混凝土溫度達34．6℃，壩面附近的混凝土溫度可能達到40℃以上，而夜晚山谷的溫度可很快降低到30℃以下，壩面下的混凝土溫度則下降較慢，內、外溫差可達20℃以上，由此產生的拉應力，可將壩面混凝土拉裂。由于拱壩中心線為NE18°25′，左岸下游壩面日照時間較長，右岸山脊較高，下午四點鐘以后，右岸壩下即照不到陽光，因此左岸下游壩面溫度應力較大，大壩實際運行也是在左岸壩下出現較多的豎向裂縫。

由上可知，下游壩面后期出現的裂縫多是由壩面的非線性溫差引起的表面裂縫。

4日照對壩面溫度的影響

《混凝土拱壩設計規范》（SD145－85）在關于邊界溫度的確定中規定：下游表面年平均溫度等于年平均氣溫加日照影響，下游表面溫度年變幅等于氣溫年變幅加日照影響（約1～2℃）。規范中對下游壩面溫度的計算，不管下游壩面是朝南還是向北，日照影響都定為1～2℃，對下游壩面朝北的拱壩可能差別不大，但對于下游壩面朝南的拱壩，其日照影響決不是1～2℃。

豐樂拱壩處的年平均氣溫為16．4℃，按規范規定計算下游表面溫度年變幅為18．4℃，按以上溫度荷載，用多拱梁法程序計算，左岸坡梁的拉應力為3．56MPa；而實測的下游壩面內1．0m處混凝土的溫度達34．6℃，靠近壩面處混凝土溫度會更高，因而豐樂拱壩實際承受的溫度荷載應比計算值要大得多，這也是豐樂拱壩前期產生裂縫的重要原因之一。

5預防壩面溫度裂縫的措施

在拱壩設計中，可能會遇到下游壩面朝南的中小型薄拱壩，有類似豐樂拱壩這樣的問題，如處理不好顯然將會在下游壩面出現較多的溫度裂縫。這些裂縫雖然不深，但對薄拱壩來說，裂縫切斷拱圈的深度占拱厚的比例較大，必然會引起拱圈應力的再分配，也可能在縫端產生應力集中，對拱壩安全造成不利，因此防止壩面出現溫度裂縫的問題不可輕視。

從豐樂拱壩實測溫度資料及分析可以看出，夏季日照對壩面溫度的影響不可忽視。較好的解決辦法是在下游壩面貼上保溫層，使每天日照高溫來不及傳到壩面混凝土就到了晚上的降溫時間。中國水利水電科學院研究的發泡聚胺脂保溫層是較好的保溫材料，聚胺脂和混凝土壩面的黏結力為0．1MPa，5～6cm厚的發泡聚胺脂可相當于4．0m厚的混凝土的保溫效果，足以阻止日曬高溫傳至下游壩面，從而使下游壩面溫度能長期保持在夏季的平均溫度。此外，保溫層對冬季氣溫驟降也有很好的防護作用。

6結語

經以上對豐樂拱壩壩面裂縫的分析可知，其1978年發生的裂縫是1978年夏季高溫＋空庫＋自重荷載組合引起的，而后期發生的壩面裂縫中的少部分水平縫是由于拱壩應力重分配引起的，大量的裂縫是線性溫差和表面非線性溫差引起的淺層短小細縫。豐樂拱壩特有的體型及方位布置進一步促使了上述裂縫的產生，應引起足夠的重視。

針對豐樂拱壩運行中出現的問題，可說明以下兩點：

（1）等曲率、等厚、大中心角的拱壩設計有一定的局限性，過大的中心角雖然可以減小拱厚，但拱圈弧長的增大卻降低了拱圈適應變形的能力。而變曲率、變厚的三圓心拱、橢圓拱、拋物線拱應是拱壩的發展趨勢，它們可以更好地改善壩體應力，同時亦更有利于拱座的穩定。

（2）日照對壩面溫度的影響不可輕視。對于薄拱壩來說，由于日照影響造成壩面溫度升高，在拱壩的上、下游線性溫差中所占比重更大，因此拱壩規范中規定的日照影響為1～2℃，對有些拱壩就不適宜，希望新的拱壩設計規范能妥善解決好日照對壩面溫度的影響問題。