混凝土拱壩裂縫分析論文

1、混凝土拱壩裂縫分析論文1工程概況 豐樂(lè)水庫(kù)位于安徽省黃山市巖寺區(qū)境內(nèi)豐樂(lè)河上，距黃山東南約50km，是一以防洪、灌溉為主結(jié)合發(fā)電的綜合利用工程，水庫(kù)尾水流入新安江水庫(kù)。水庫(kù)總庫(kù)容8400萬(wàn)m3，壩址以上控制流域面積297km2，為中型三等工程。水庫(kù)校核洪水位（500年一遇）為2106m，設(shè)計(jì)洪水位為2088m，正常蓄水位為2010m，死水位為1830m。 豐樂(lè)水庫(kù)大壩為變圓心變半徑的等厚拱混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2110m，壩底最低高程1570m，最大壩高540m；壩頂厚25m，壩底厚125m，厚高比023；壩頂弧長(zhǎng)21615m，壩頂弦長(zhǎng)1682m，弧高比40，弦高比31。大壩沿拱壩軸線分為1

2、6個(gè)壩塊，各壩塊寬約12m。拱壩的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。 壩頂設(shè)有開(kāi)敞式自由挑流溢洪道，溢流壩段弧長(zhǎng)561m，堰頂高程2040m，最大泄量2060m3s。 大壩于1973年1月開(kāi)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(fù)灌漿結(jié)束，至此，拱壩已形成整體結(jié)構(gòu)，具備蓄水運(yùn)用條件。但因庫(kù)內(nèi)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(nèi)放水底孔一直敞開(kāi)，水庫(kù)遲遲不能蓄水。1978年夏季，該地區(qū)出現(xiàn)百年不遇的長(zhǎng)期高溫干旱氣候，水庫(kù)同時(shí)處于空庫(kù)狀態(tài)，致使壩體長(zhǎng)期處于空庫(kù)自重溫升荷載組合下運(yùn)行。1978年冬季在左、右岸下游壩面分別出現(xiàn)9條和3條裂縫，后于1986年進(jìn)行了

3、裂縫灌漿處理。 大壩裂縫分布見(jiàn)圖1。圖中裂縫編號(hào)120系19791986年間年出現(xiàn)的，其中有12條裂縫即為1978年冬季在下游壩面產(chǎn)生的（左岸9條、右岸3條）；圖中未編號(hào)的裂縫是19862001年間發(fā)展的裂縫。 2壩身裂縫及其發(fā)展 211986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(kù)狀態(tài)，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(chǎn)生較大拉應(yīng)力。1978年5月7日到8月26日，在大壩左岸下游2號(hào)壩塊195m高程至6號(hào)壩塊165m高程發(fā)現(xiàn)裂縫，裂縫基本上平行于岸坡方向，總長(zhǎng)度達(dá)80m左右，縫寬達(dá)10mm；右岸12號(hào)壩塊175m高程至14號(hào)

4、壩塊1763m高程裂縫沿175m高程水平建筑縫延伸2935m長(zhǎng)。1979年初用環(huán)氧樹(shù)脂封堵裂縫，當(dāng)年10月發(fā)現(xiàn)裂縫繼續(xù)張開(kāi)并向兩端延伸。1979年12月，南京水利科學(xué)研究所用超聲波對(duì)大壩左岸下游拱座附近184m高程裂縫進(jìn)行探測(cè)，裂縫深度大于23m，該處壩厚69m。 由于大壩裂縫未能及時(shí)修補(bǔ)，1979年水庫(kù)蓄水后至1986年9月，大壩裂縫已發(fā)展到20條，總長(zhǎng)度達(dá)2608m，在裂縫和橫縫相交處，壩面潮濕、滲水，高水位時(shí)局部裂縫有噴射水霧現(xiàn)象。1986年冬季用改性環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行灌漿，共灌了19條裂縫，共計(jì)灌入改性環(huán)氧樹(shù)脂漿液3312L，灌后縫面不再滲漏，通過(guò)超聲波檢測(cè)，大多數(shù)裂縫的波幅都有很大程度的提

5、高，有的已接近無(wú)縫混凝土的波幅。 22壩身裂縫的發(fā)展 裂縫灌漿后，大壩運(yùn)行一直比較正常。從1986年至1994年的觀測(cè)資料看，左岸壩后裂縫寬度有增大的趨勢(shì)，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新的裂縫，已灌漿的裂縫也沒(méi)有被拉開(kāi)。 1996年以后，下游壩面陸續(xù)發(fā)現(xiàn)新的裂縫，下游壩面漏水點(diǎn)增多，至2001年底共發(fā)現(xiàn)有40多處漏水點(diǎn)，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(zhǎng)，出現(xiàn)新的裂縫。2001年12月14日檢查發(fā)現(xiàn)，6號(hào)、8號(hào)、10號(hào)、11號(hào)壩塊出現(xiàn)水平裂縫或斜裂縫共6條，總長(zhǎng)度281m。 23壩身裂縫的性狀 通過(guò)1979年和1986年分別由南京水科所和蚌埠水科所用超聲波對(duì)裂縫進(jìn)行檢測(cè)，裂縫最大

6、深度分別為23m和214m，縫寬不大于10mm，2002年初由淮河流域水工程質(zhì)量檢測(cè)中心對(duì)新、老裂縫進(jìn)行檢測(cè)，裂縫寬度為005045mm。 從幾次裂縫檢測(cè)結(jié)果看，豐樂(lè)拱壩下游面裂縫均為表面裂縫。 3裂縫原因分析 311978年大壩裂縫分析 311拱壩體型對(duì)大壩變形的影響 豐樂(lè)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61m，拱圈中心半徑8675m，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12025m?？梢?jiàn)，在拱圈厚度相同、跨度相同時(shí)，豐樂(lè)拱壩拱圈弧長(zhǎng)比一般扁平拱壩多2287m，在拱圈受到相同溫升荷載的作用時(shí)，豐樂(lè)拱壩拱圈向上游膨脹比一

7、般扁平拱壩要大的多，而豐樂(lè)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(chǎn)生的拉應(yīng)力相當(dāng)大。同時(shí)，豐樂(lè)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(dá)到1033，在拱壩自重荷載作用下，左、右岸坡下游將產(chǎn)生0708MPa的拉應(yīng)力，并使拱壩產(chǎn)生向上游的變位。 312下游壩面溫度變化對(duì)拱壩應(yīng)力的影響 豐樂(lè)河水在壩址附近由北向南流，拱壩中心線走向?yàn)镹E1825，下游壩面朝南，在夏季高溫期間，陽(yáng)光直射下游壩面。在空庫(kù)期間，上游壩面一直處在陽(yáng)光照射不到的壩陰下，由于山區(qū)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(yáng)光的熱量更多，上、下

8、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(jì)算下游壩面的最大拉應(yīng)力為356MPa，該計(jì)算結(jié)果還未考慮拱壩朝向和實(shí)際日照溫差的影響。 綜上所述，豐樂(lè)拱壩受體型及方位的制約，在空庫(kù)溫升條件下運(yùn)行必然會(huì)產(chǎn)生裂縫。實(shí)際運(yùn)行情況是，1978年8月26日在左、右岸坡發(fā)現(xiàn)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(méi)有向壩的深部延伸。 32后期裂縫發(fā)展成因 豐樂(lè)拱壩由15條橫縫將大壩分成16個(gè)壩塊，每個(gè)壩塊的下游面寬度都小于12m。橫縫雖然經(jīng)過(guò)接縫灌漿，但其承受拉應(yīng)力的能力仍然低于壩身混凝土。從1986年以

9、后壩下游面出現(xiàn)的36條豎向裂縫看，6號(hào)壩塊和4號(hào)壩塊中部都各有一條長(zhǎng)12m和8m的長(zhǎng)縫，其余34條豎縫長(zhǎng)15m，縫寬005045mm，縫深均小于20m，以上裂縫大多發(fā)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(yīng)力可以通過(guò)橫縫釋放，故兩橫縫之間的壩體混凝土不致被拉裂。 豐樂(lè)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(shí)至3時(shí)，壩下游好似大烤箱，行人不能停留，下游壩面溫度可達(dá)5560。壩體內(nèi)10m深處的混凝土溫度達(dá)346，壩面附近的混凝土溫度可能達(dá)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(nèi)、外溫差可達(dá)20以上，由

10、此產(chǎn)生的拉應(yīng)力，可將壩面混凝土拉裂。由于拱壩中心線為NE1825，左岸下游壩面日照時(shí)間較長(zhǎng)，右岸山脊較高，下午四點(diǎn)鐘以后，右岸壩下即照不到陽(yáng)光，因此左岸下游壩面溫度應(yīng)力較大，大壩實(shí)際運(yùn)行也是在左岸壩下出現(xiàn)較多的豎向裂縫。 由上可知，下游壩面后期出現(xiàn)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(duì)壩面溫度的影響 混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范（SD14585）在關(guān)于邊界溫度的確定中規(guī)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12）。規(guī)范中對(duì)下游壩面溫度的計(jì)算，不管下游壩面是朝南還是向北，日照影響都定為12，對(duì)下游壩面朝北的拱壩可能差別不大，但對(duì)于下游

11、壩面朝南的拱壩，其日照影響決不是12。 豐樂(lè)拱壩處的年平均氣溫為164，按規(guī)范規(guī)定計(jì)算下游表面溫度年變幅為184，按以上溫度荷載，用多拱梁法程序計(jì)算，左岸坡梁的拉應(yīng)力為356MPa；而實(shí)測(cè)的下游壩面內(nèi)10m處混凝土的溫度達(dá)346，靠近壩面處混凝土溫度會(huì)更高，因而豐樂(lè)拱壩實(shí)際承受的溫度荷載應(yīng)比計(jì)算值要大得多，這也是豐樂(lè)拱壩前期產(chǎn)生裂縫的重要原因之一。 5預(yù)防壩面溫度裂縫的措施 在拱壩設(shè)計(jì)中，可能會(huì)遇到下游壩面朝南的中小型薄拱壩，有類(lèi)似豐樂(lè)拱壩這樣的問(wèn)題，如處理不好顯然將會(huì)在下游壩面出現(xiàn)較多的溫度裂縫。這些裂縫雖然不深，但對(duì)薄拱壩來(lái)說(shuō)，裂縫切斷拱圈的深度占拱厚的比例較大，必然會(huì)引起拱圈應(yīng)力的再分配

12、，也可能在縫端產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)拱壩安全造成不利，因此防止壩面出現(xiàn)溫度裂縫的問(wèn)題不可輕視。 從豐樂(lè)拱壩實(shí)測(cè)溫度資料及分析可以看出，夏季日照對(duì)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(lái)不及傳到壩面混凝土就到了晚上的降溫時(shí)間。中國(guó)水利水電科學(xué)院研究的發(fā)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(jié)力為01MPa，56cm厚的發(fā)泡聚胺脂可相當(dāng)于40m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(zhǎng)期保持在夏季的平均溫度。此外，保溫層對(duì)冬季氣溫驟降也有很好的防護(hù)作用。 6結(jié)語(yǔ) 經(jīng)以上對(duì)豐樂(lè)拱壩壩面裂縫的分析可知，其1978年發(fā)生的裂縫是1978年夏季高溫空庫(kù)自重荷載組合引起的，而后期發(fā)生的壩面裂縫中的少部分水平縫是由于拱壩應(yīng)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(xì)縫。豐樂(lè)拱壩特有的體型及方位布置進(jìn)一步促使了上述裂縫的產(chǎn)生，應(yīng)引起足夠的重視。 針對(duì)豐樂(lè)拱壩運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，可說(shuō)明以下兩點(diǎn)： （1）等曲率、等厚、大中心角的拱壩設(shè)計(jì)有一定的局限性，過(guò)大的中心角雖然可以減小拱厚，但