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，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日當地氣溫連續(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，現場施工人員發(fā)現大壩左右岸壩體均出現裂縫，施工單位隨即停止施工，設計人員在踏勘現場的基礎上提出了裂縫處理意見。     2、裂縫產生的原因     根據相似工程實踐經驗，施工后期及運行期出現異常外部條件時出現裂縫仍是拱壩在應付各種不利工況時進行結構性調整的一種早期征兆，在絕大多數情況下無嚴重危害性，但是，裂縫的出現總是某種潛在的不利因素在起作用的結果，因此必須引起是夠重視，注意其發(fā)展，尋找裂縫產生的原因。     （1） 裂縫情況     2003年12月17日，發(fā)現大壩左岸離壩軸線43m左右，右岸離壩軸線36m左右處各出現近豎直向裂縫，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，當地氣溫最低為-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     為分析裂縫產生的原因，計算了水庫空庫+溫降（-5℃）（設計溫降工況為多年平均日最低氣溫1月份為7.7℃）運行工況的壩體應力情況，由于建筑大壩用的砼水灰比達到0.69(試驗結果)，大大高于規(guī)范要求的0.5～0.6的要求，壩體的線脹系數取0.0000090（原設計取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℃，大大低于設計溫度7.7℃）及空庫情況下，兩壩肩的拉應力較大，最大值為2.74Mpa[2R，-7C]，且拉應力區(qū)范圍較廣，兩壩肩拉應力呈全斷面分布，且上游面普遍大于下游面，而且可以看出，計算結果與實際產生裂縫位置較為吻合，由此，可得出裂縫產生的原因。     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時氣溫，實際產生的拉應力往往會大于計算值，從而在寒潮作用下產生近壩頂豎直裂縫。     3、裂縫處理方案     裂縫產生后，設計人員根據踏勘情況，提出了裂縫處理方案，裂縫將采用化學材料嵌縫和水泥灌漿相結合的處理方法。     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，即使出現滲水，也不會影響到其傳遞壓應力的功能，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構，它在周邊的嚴格約束下，對于超載或變形的反映十分敏感，局部應力集中立即會引起開裂，然而這種開裂也可以說是結構放松約束來調整內力以適應變化的正常反映。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，拱壩高次超靜定結構的潛力沒有完全發(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）。應力分析時，封拱溫度選擇：灌漿前封拱溫度選擇設計封拱溫度+裂縫寬度相對應的溫度升高值（由于壩體的線脹系數為0.0000090，簡單認為壩體裂縫1.0mm相當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，裂縫產生后，壩體應力已重新分布，所產生的拉應力大部分釋放掉了，所計算得到的應力成果不能反映壩體的實際應力分布，因此裂縫灌漿前不計算空庫工況的應力。   拱壩應力計算成果表（主應力）（裂縫灌漿前） 表2                                                                 單位：MPa 工況 上游壩面 下游壩面 最大主拉應力 最大主壓應力 最大主拉應力 最大主壓應力 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] 拱壩應力計算成果表（主應力）（裂縫灌漿后） 表3                                                                 單位：MPa 工況 上游壩面 下游壩面 最大主拉應力 最大主壓應力 最大主拉應力 最大主壓應力 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了應力超標現象，而裂縫經過灌漿處理后，拱壩應力均滿足規(guī)范規(guī)定的要求（拱冠梁1.5Mpa，拱及其它部位1.40Mpa），因此，該裂縫應進行灌漿處理，以滿足工程正常運行要求。     5、結  語     由溫降+低水位（空庫）運行為主要原因而產生的壩頂近豎向裂縫是國內砌石拱壩中出現的最常見裂縫，這一方面在拱壩設計中對某些不利荷載難于確切預計，壩的材料特性和壩基的地質條件難于完全掌握，同時也說明拱壩可以通過自身結構調整，利用高次超靜定結構這種安全儲備來彌補設計的不足，開裂正是這種自身結構調整的早期征兆。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。據統(tǒng)計，在全國1700多座已建的拱壩中，真正導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生的原因及根據原因提出解決問題的方案。