水庫拱壩裂縫成因管理論文

1、水庫拱壩裂縫成因管理論文 1工程概況及大壩開裂情況 大坂水庫位于漳平市永福鎮(zhèn)新安溪中游，是一座以發(fā)電為主，結(jié)合灌溉的綜合利用中型水利工程。壩址控制流域面積93km2，水庫總庫容1462萬m3，興利庫容1120萬m3，死庫容130萬m3。水庫正常蓄水位518.00m，P=2%設(shè)計洪水位520.95m，P=0.2%校核洪水位522.26m。大壩為100#漿砌塊石單心圓雙曲拱壩，最大壩高62.4m。 壩址兩岸基巖裸露，出露巖性主要為燕山早期的黑云母花崗巖，次為喜山期的石英斑巖。壩址區(qū)主要存在一條陡傾角F2斷層和一條f1裂隙性斷層。 該大壩于1985年5月開工興建，1989年5月水庫開始蓄水，1989

2、年9月封頂。建成后歷史最高水位為519.99m（1996年8月1日），歷史最低水位約為479.00m（1998年12月）。2001年12月，水庫水位降至480.50m后，檢查中發(fā)現(xiàn)左岸上、下游面及壩頂均可見有一條沿徑向的貫穿性1#垂直裂縫，長約20m，縫寬約1mm2mm，裂縫經(jīng)過處部分壩面砼預(yù)制塊也拉裂。另外在壩頂還發(fā)現(xiàn)11條小裂縫，左岸7條，右岸4條，長度小于1m，縫寬均為1mm以內(nèi)，且均未向下發(fā)展。未發(fā)現(xiàn)水平裂縫。對大壩進行水平和垂直位移觀測結(jié)果表明位移量很小，均在規(guī)范控制值范圍內(nèi)。大壩左岸拱端山體穩(wěn)定。裂縫位置示意圖見圖1。 圖1拱壩裂縫位置示意圖 2大壩應(yīng)力復(fù)核 壩體采用100#細(xì)石砼

3、砌塊石，上、下游壩面為100#水泥砂漿漿砌毛條石并深勾縫，施工時中上部壩面采用150#砼預(yù)制塊取代條石。壩體基礎(chǔ)采用0.5m厚150#砼墊層。砌石壩體不分縫。壩頂外緣弧長128.22m。中間溢流段外緣弧長50.19m。雙曲拱壩基本尺寸見表1。 表1拱壩基本尺寸表 高程(m)拱圈厚度(m)上游坐標(biāo)(m)拱圈內(nèi)半徑(m)左中心角(度)右中心角(度) 522.42.600064.50559.450.1 518.03.700063.40559.249.8 512.24.0601.74058.11556.747.8 506.44.3213.30651.85453.646.4 500.64.8134.69

4、843.96151.145.9 494.85.5735.91635.96448.645.4 489.06.3056.67029.65445.245.8 483.27.1817.13425.11244.544.5 477.48.2097.30821.57442.542.5 471.69.3467.13418.86941.041.0 460.012.0005.6849.80038.038.0 應(yīng)力復(fù)核考慮的荷載組合為： 基本荷載組合：正常蓄水位壓力+淤沙壓力+自重+均勻溫降； 基本荷載組合：死水位水壓力+淤沙壓力+自重+均勻溫升； 特殊荷載組合：校核洪水位水壓力+淤砂壓力+自重+均勻溫升； 特殊荷

5、載組合：死水位水壓力+淤沙壓力+自重+均勻溫降。 封拱溫度取多年平均氣溫20.3，氣溫年升幅7.7，年降幅9.7。應(yīng)力分析采用全調(diào)整的改進多拱梁分載法軟件計算，主應(yīng)力計算成果匯總表見表2。典型應(yīng)力等值線圖見圖2。 主應(yīng)力計算成果匯總表 表2單位：MPa 計算工況上游壩面最大主拉應(yīng)力上游壩面最大主壓應(yīng)力下游壩面最大主拉應(yīng)力下游壩面最大主壓應(yīng)力 工況-1.116R0C2.356R0C-0.779R0C3.797R-5C 工況-0.526R0C1.736R-6C-0.945R-7C1.547R0C 工況-1.159R-3C1.995R0C-0.273R-9C4.177R-5C 工況-1.671R11

6、C1.4611R1C-0.922R10C1.377R0C 從應(yīng)力復(fù)核成果可以看出，工況、工況及工況壩面的主應(yīng)力值基本滿足規(guī)范要求，但特殊荷載組合工況出現(xiàn)最大拉應(yīng)力超標(biāo)較多，即死水位遇溫降工況，最大拉應(yīng)力達1.67MPa，出現(xiàn)在左岸壩頂上游拱端。其中1#裂縫處最大拉應(yīng)力計算值約為0.6MPa。 圖2工況上游面第一主應(yīng)力等值線圖 3裂縫成因分析 大坂水庫拱壩是固接于基巖的整體結(jié)構(gòu)，壩身不設(shè)永久性伸縮縫。由應(yīng)力復(fù)核成果及大壩沒有水平裂縫的跡象表明，本工程不是因為拱壩超載而開裂。通過對拱座基巖的詳細(xì)勘察及大壩位移觀測，未發(fā)現(xiàn)基巖有移動和變形跡象，可以排除本工程拱壩裂縫是由于拱座失穩(wěn)或基巖不均勻沉陷引起

7、的。1#裂縫的發(fā)展方向為規(guī)則的垂直方向，裂縫經(jīng)過處灰縫及壩面石均開裂，據(jù)此可基本排除開裂是因壩體施工質(zhì)量引起的。 由于1#裂縫產(chǎn)生的時間是冬季枯水期，結(jié)合應(yīng)力計算成果可以基本斷定開裂原因是由溫度應(yīng)力造成的。由于大壩上部施工時段為6月9月，實際封拱平均氣溫達26.8，冬季氣溫驟降后，溫降幅度遠(yuǎn)比計算值9.7大，因此實際溫降應(yīng)力比理論分析值更大。若根據(jù)施工實際氣溫情況來確定封拱溫度，對死水位遇溫降工況再進行應(yīng)力計算，計算結(jié)果左岸上游壩頂拱端拉應(yīng)力高達2.37MPa，已大大超過材料抗拉極限。其壩體應(yīng)力等值線圖見圖3。 圖3按實際封拱溫度計算的上游壩面第一主應(yīng)力等值線圖 理論分析溫度應(yīng)力最大值位于拱端

8、，而1#裂縫并不在拱端出現(xiàn)，而距拱端有一定距離，這是因為拱端處基巖會產(chǎn)生變形，使應(yīng)力松馳；同時，在水壓等各種荷載迭加的條件下，實際拉應(yīng)力最大值并不一定發(fā)生在拱端。壩頂拱厚最小，溫降荷載則最大，當(dāng)超限拉應(yīng)力出現(xiàn)后，沿拱軸產(chǎn)生的拉力使拱圈自頂向底徑向開裂。另外，砌石拱壩灰縫較多，建成后不可避免地有一個干縮過程。梯形河谷底面與斜坡的交叉點處，是干縮量由大變小的界線，其作用類似不均勻沉陷。由于壩址左岸489m高程以下壩基較陡，坡度達6070，左岸上部相對較緩，坡度約4550，壩基岸坡有突變現(xiàn)象。岸坡的突變使得砌縫干縮量產(chǎn)生較大差異，結(jié)果必然在頂部相當(dāng)于它們之間界面的投影位置處，比較容易形成裂縫。這就是

9、溫降造成的1#豎直裂縫，其位置接近于左岸下部岸坡變化點的原因。 4結(jié)論及裂縫修補措施 根據(jù)上述裂縫成因分析，導(dǎo)致本工程拱壩開裂的主要原因是水庫低水位時的氣溫驟降，因溫度應(yīng)力超負(fù)荷引起的。由于砌石拱壩一般不設(shè)結(jié)構(gòu)縫，多采用均勻上升、層層封拱的施工方法，設(shè)計計算考慮的封拱溫度一般低于多年平均值，而夏季施工時，混凝土的入倉溫度及封拱溫度較難控制，造成實際溫降應(yīng)力大大高于計算值。許多經(jīng)歷夏季施工的砌石拱壩在第一個冬季后就有不同程度的開裂。 本工程拱壩出現(xiàn)較大拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在水庫水位較低時，拉應(yīng)力較大區(qū)域也主要分布在大壩上部兩岸拱端，一般不致引起較大滲漏。當(dāng)庫水位較高時，在外荷作用下，拱的內(nèi)力以壓為主，

10、有的小裂縫還會在水壓力作用下會自行閉合。壩體開裂后形成的二次拱，也會阻止裂縫的發(fā)展。因此單純由溫度應(yīng)力造成的裂縫危害性并不大。 本工程1#裂縫規(guī)模較大，且已形成通縫，為防止拱壩應(yīng)力重分配后出現(xiàn)局部應(yīng)力惡化，出現(xiàn)新的裂縫，必須對1#裂縫進行必要的修補。修補時間應(yīng)在冬季氣溫較低時進行，否則冬季仍有可能會拉裂張開。 修補方法借鑒安徽清風(fēng)巖水電站拱壩裂縫修補的成功經(jīng)驗，采用先補后灌的施工方法。通過防滲，防止裂縫因射水而擴張；通過內(nèi)部補強灌漿，恢復(fù)拱壩拱向承載條件。具體方法簡述如下：先沿裂縫開槽，在開好的槽上騎縫布設(shè)灌漿管，間隔1.0m1.5m左右。在上游面裂縫中嵌入GBW遇水膨脹橡膠止水條，再用聚合物柔性砂漿將槽封閉，下游槽埋設(shè)灌漿管后，直接用聚合物柔性砂漿封槽。封槽后23天，對裂縫進行灌漿處理。灌漿水泥漿液中摻入適量微膨脹劑，使?jié){液在硬化過程中產(chǎn)生微膨脹以補償水泥的收縮效應(yīng)，提高與被灌體的粘結(jié)抗?jié)B性，從而恢復(fù)