淺析某水電站大壩裂縫存在對工程正常使用的影響

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1、工程概況

    該水電站位于****省****縣境內(nèi)，是**江上游d**溪的一個梯級水電開發(fā)工程。壩址集雨面積為26.3Km²，電站裝機3.2MW，為引水式電站，大壩為C15細砼砌石拋物線型雙曲拱壩，壩頂高程為271.2m，最大壩高38.2m，壩頂中心線弧長123.8m，頂厚2.62m，底厚7.57m，厚高比0.198，拱圈最大中心角87.3°，最小中心角38.5°。該工程于2001年底動工興建，至2003年底主體工程已基本完成。 2003年12月13日～17日當(dāng)?shù)貧鉁剡B續(xù)5天降至-2～-5℃，12月22日～25日連續(xù)4天降溫至-1～-4℃。2003年12月17日15時左右，現(xiàn)場施工人員發(fā)現(xiàn)大壩左右岸壩體均出現(xiàn)裂縫，施工單位隨即停止施工，設(shè)計人員在踏勘現(xiàn)場的基礎(chǔ)上提出了裂縫處理意見。     2、裂縫產(chǎn)生的原因     根據(jù)相似工程實踐經(jīng)驗，施工后期及運行期出現(xiàn)異常外部條件時出現(xiàn)裂縫仍是拱壩在應(yīng)付各種不利工況時進行結(jié)構(gòu)性調(diào)整的一種早期征兆，在絕大多數(shù)情況下無嚴重危害性，但是，裂縫的出現(xiàn)總是某種潛在的不利因素在起作用的結(jié)果，因此必須引起是夠重視，注意其發(fā)展，尋找裂縫產(chǎn)生的原因。     （1） 裂縫情況     2003年12月17日，發(fā)現(xiàn)大壩左岸離壩軸線43m左右，右岸離壩軸線36m左右處各出現(xiàn)近豎直向裂縫，其中左岸2條，其中1#（5#）裂縫上、下游貫穿，裂縫范圍為高程259m～271.2m，6#裂縫出現(xiàn)在下游面，范圍為高程257.8～261.0m，上、下游沒有貫穿；右岸三條裂縫，均上、下游貫穿，其中2#（7#）裂縫范圍為251.4～265.4，3#（8#）裂縫范圍為256.8～271.2m，4#（9#）裂縫范圍為258.6～266.6m，裂縫寬大多為1mm左右。其中1#（5#）、3#（8#）兩條裂縫由基巖墊層始至壩頂，其它幾條由基巖墊層始向上發(fā)展至一定位置尖滅消失。裂縫寬度與氣溫關(guān)系密切，氣溫升高時，縫寬變小，氣溫降低時，縫寬變大。裂縫分布情況見圖一和圖二。     裂縫發(fā)生前幾天，遭遇寒潮，氣溫較低，2003年12月17日，當(dāng)?shù)貧鉁刈畹蜑?5℃，再則，大壩主體工程剛剛完成還沒有蓄水，屬于非常不利的拱壩運行狀況。       （2） 裂縫成因分析     為分析裂縫產(chǎn)生的原因，計算了水庫空庫+溫降（-5℃）（設(shè)計溫降工況為多年平均日最低氣溫1月份為7.7℃）運行工況的壩體應(yīng)力情況，由于建筑大壩用的砼水灰比達到0.69(試驗結(jié)果)，大大高于規(guī)范要求的0.5～0.6的要求，壩體的線脹系數(shù)取0.0000090（原設(shè)計取0.0000080），封拱溫度按實際施工時平均溫度選取，計算成果見表1。 氣溫驟降（-5.0℃）+空庫時壩體主應(yīng)力計算成果 表1 高　程 左　壩　肩 右　壩　肩 上　游 下　游 上　游 下　游 271.2 -2.71 -2.25 -2.54 -2.16 266 -2.74 -2.03 -2.65 -2.08 261.28 -2.25 -1.73 -2.17 -1.83 256.57 -1.54 -1.06 -1.48 -0.97 251.86 -1.18 -0.71 -1.27 -0.65 247.14 -0.92 -0.72 -1.17 -0.68
    由表1中知，在氣溫驟降（-5℃，大大低于設(shè)計溫度7.7℃）及空庫情況下，兩壩肩的拉應(yīng)力較大，最大值為2.74Mpa[2R，-7C]，且拉應(yīng)力區(qū)范圍較廣，兩壩肩拉應(yīng)力呈全斷面分布，且上游面普遍大于下游面，而且可以看出，計算結(jié)果與實際產(chǎn)生裂縫位置較為吻合，由此，可得出裂縫產(chǎn)生的原因。     引起壩體頂部豎向裂縫的主要原因是溫度荷載，即拱壩在空庫（或低水位）+溫降情況下運行是產(chǎn)生壩頂裂縫的最不利荷載組合，而且該段壩體施工時最高溫度達27.1℃，平均溫度達到21℃，而短歷時寒潮最低溫度為-2～-5℃，最大溫差超過20℃，而且壩頂厚度又較薄，壩體溫度很快降至當(dāng)時氣溫，實際產(chǎn)生的拉應(yīng)力往往會大于計算值，從而在寒潮作用下產(chǎn)生近壩頂豎直裂縫。     3、裂縫處理方案     裂縫產(chǎn)生后，設(shè)計人員根據(jù)踏勘情況，提出了裂縫處理方案，裂縫將采用化學(xué)材料嵌縫和水泥灌漿相結(jié)合的處理方法。     灌漿施工流程為:鑿槽→嵌縫→鉆孔→沖洗→灌漿→封孔。     鑿槽：對壩體裂縫進行鑿槽，鑿槽成三角形，槽上口寬4cm左右，槽深3～4cm，壩體裂縫兩端各延伸0.5cm；     嵌縫：嵌縫采用環(huán)氧樹脂，先對壩體裂縫鑿槽內(nèi)刷一道環(huán)氧樹脂液，然后用配制好的環(huán)氧樹脂嵌縫，用榔頭敲擊嵌補的環(huán)氧樹脂并用刮刀刮平；     鉆孔：在大壩下游面沿裂縫兩側(cè)交錯水平鉆斜孔，孔距2.0m，孔徑為φ40；     沖洗；采用高壓水對鉆孔進行沖洗，并檢查各孔是否串通，沖洗壓力為灌漿壓力的80%；     灌漿：灌漿時空氣溫度不大于10℃，灌漿采用孔口循環(huán)灌漿法，灌漿壓力為0.25MPa，灌漿材料為525#普通硅酸鹽水泥；     封孔：從大壩底部往上灌漿，待全部孔出漿且堵塞全部孔后不吸漿才結(jié)束灌漿進行封孔。     4、裂縫存在對工程正常使用的影響     左右壩肩壩頂豎直裂縫一般冬開夏閉，隨氣溫的年變化而開合，隨庫水位高低變化而合開，水庫在低水位或空庫時，又遇更冷的氣溫時原有裂縫往往擴展延伸或在其他部位又發(fā)生新的裂縫，因此，還必須注意兩壩肩發(fā)生新裂縫的可能性。     這種裂縫僅相當(dāng)于水庫在低水位或空庫運行時恰縫冬季，壩體近壩頭處又分了一條橫縫，沒有灌漿，而此時庫水位又低，漏水問題不突出，隨著庫水位的上升和氣溫升高，該裂縫又會自動閉合，即使出現(xiàn)滲水，也不會影響到其傳遞壓應(yīng)力的功能，拱壩還能繼續(xù)工作，該種裂縫又稱“活縫”。這種裂縫對壩體正常工作的危害性不大。     另外，考慮到拱壩是一種高次超靜定結(jié)構(gòu)，它在周邊的嚴格約束下，對于超載或變形的反映十分敏感，局部應(yīng)力集中立即會引起開裂，然而這種開裂也可以說是結(jié)構(gòu)放松約束來調(diào)整內(nèi)力以適應(yīng)變化的正常反映。拱壩在破壞以前必定存在一個不斷開裂，不斷靜定化的過程。在尚未達到嚴重開裂以前，拱壩高次超靜定結(jié)構(gòu)的潛力沒有完全發(fā)揮，因而不會影響壩的安全運行。     為進一步分析裂縫存在對工程正常使用的影響，對拱壩在灌漿前、后分別作應(yīng)力分析，計算工況增加空庫+溫降和空庫+溫升兩種工況（灌漿后）。應(yīng)力分析時，封拱溫度選擇：灌漿前封拱溫度選擇設(shè)計封拱溫度+裂縫寬度相對應(yīng)的溫度升高值（由于壩體的線脹系數(shù)為0.0000090，簡單認為壩體裂縫1.0mm相當(dāng)于壩體封拱溫度升高9.0℃）；灌漿后封拱溫度選擇灌漿時的溫度，裂縫灌漿前、后的拱壩應(yīng)力計算成果見表2、表3。其中裂縫灌漿前由于溫降和低水位工況時壩體收縮，裂縫產(chǎn)生后，壩體應(yīng)力已重新分布，所產(chǎn)生的拉應(yīng)力大部分釋放掉了，所計算得到的應(yīng)力成果不能反映壩體的實際應(yīng)力分布，因此裂縫灌漿前不計算空庫工況的應(yīng)力。   拱壩應(yīng)力計算成果表（主應(yīng)力）（裂縫灌漿前） 表2                                                                 單位：MPa 工況 上游壩面 下游壩面 最大主拉應(yīng)力 最大主壓應(yīng)力 最大主拉應(yīng)力 最大主壓應(yīng)力 1、正常水位+溫降 1.44[9R,0C] 1.64[5R,0C] 1.16[1R,-9C] 2.53[6R,4C] 2、死水位+溫降 1.62[1R,-9C] 0.68[6R,0C] 1.35[1R,-9C] 1.28[6R,4C] 3、死水位+溫升 0.41[4R,0C] 1.98[9R,0C] 0.66[9R,0C] 1.60[8R,0C] 4、校核洪水位+溫升 1.10[7R,-3C] 1.23[2R,-1C] 0.09[2R,2C] 2.69[6R,4C] 拱壩應(yīng)力計算成果表（主應(yīng)力）（裂縫灌漿后） 表3                                                                 單位：MPa 工況 上游壩面 下游壩面 最大主拉應(yīng)力 最大主壓應(yīng)力 最大主拉應(yīng)力 最大主壓應(yīng)力 1、正常水位+溫降 1.13[9R,0C] 1.34[5R,0C] 0.66[1R,-9C] 2.16[7R,3C] 2、死水位+溫降 1.03[1R,-8C] 0.79[9R,1C] 0.84[1R,-9C] 0.80[6R,4C] 3、死水位+溫升 0.54[2R,0C] 2.28[9R,0C] 0.99[6R,4C] 1.63[8R,0C] 4、校核洪水位+溫升 0.85[8R,-2C] 1.70[1R,-9C] 0.23[2R,8C] 2.34[7R,3C] 5、空庫+溫升 0.52[2R,0C] 3.23[9R,0C] 1.48[9R,0C] 1.44[8R,0C] 6、空庫+溫降 0.99[1R,-8C] 1.05[9R,1C] 0.78[1R,-9C] 0.81[5R,2C]       由上述兩表計算表明，裂縫灌漿前，在各種工況局部出現(xiàn)了應(yīng)力超標(biāo)現(xiàn)象，而裂縫經(jīng)過灌漿處理后，拱壩應(yīng)力均滿足規(guī)范規(guī)定的要求（拱冠梁1.5Mpa，拱及其它部位1.40Mpa），因此，該裂縫應(yīng)進行灌漿處理，以滿足工程正常運行要求。     5、結(jié)  語     由溫降+低水位（空庫）運行為主要原因而產(chǎn)生的壩頂近豎向裂縫是國內(nèi)砌石拱壩中出現(xiàn)的最常見裂縫，這一方面在拱壩設(shè)計中對某些不利荷載難于確切預(yù)計，壩的材料特性和壩基的地質(zhì)條件難于完全掌握，同時也說明拱壩可以通過自身結(jié)構(gòu)調(diào)整，利用高次超靜定結(jié)構(gòu)這種安全儲備來彌補設(shè)計的不足，開裂正是這種自身結(jié)構(gòu)調(diào)整的早期征兆。對這種裂縫，只要重視監(jiān)控檢查，掌握其變化規(guī)律，可以適時修補，繼續(xù)運用。據(jù)統(tǒng)計，在全國1700多座已建的拱壩中，真正導(dǎo)致水庫潰壩失事的只有2座，可見，拱壩與其他壩型相比，其具有良好的安全性。因此，我們對拱壩出現(xiàn)裂縫情況要辨證的看待，既不能掉于輕心，也不要過于緊張，重要的是要客觀分析裂縫產(chǎn)生的原因及根據(jù)原因提出解決問題的方案。