某重力壩岸坡壩段上游面裂縫對(duì)工作性態(tài)影響分析

宮照光，高 鵬，周秋景，李海楓

（1.中國長江三峽工程開發(fā)總公司 向家壩工程建設(shè)部，四川 宜賓 644625；2.中國水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038）

某重力壩岸坡壩段上游面裂縫對(duì)工作性態(tài)影響分析

宮照光1，高 鵬1，周秋景2，李海楓2

（1.中國長江三峽工程開發(fā)總公司 向家壩工程建設(shè)部，四川 宜賓 644625；2.中國水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038）

某重力壩岸坡兩個(gè)壩段上游壩踵附近存在裂縫，考慮極端惡劣情況，即不考慮上游面裂縫前混凝土，采用有限元和材料力學(xué)兩種方法對(duì)大壩工作性態(tài)進(jìn)行分析，給出結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力和抗滑穩(wěn)定安全情況。結(jié)果顯示，存在裂縫時(shí)，壩體剛度減小，順河向和橫河向變形值增大，壩踵和壩趾壓應(yīng)力值較設(shè)計(jì)情況略有增加，未出現(xiàn)應(yīng)力惡化現(xiàn)象；壩段抗滑安全系數(shù)略有減小，仍滿足安全要求。整體來看，現(xiàn)有裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)工作性態(tài)不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，壩體可以安全運(yùn)行。

重力壩；上游面裂縫；變形；應(yīng)力；抗滑穩(wěn)定

1 研究背景

混凝土壩在建設(shè)期和運(yùn)行期不可避免地會(huì)出現(xiàn)裂縫，裂縫的成因復(fù)雜多樣，裂縫的空間展布狀態(tài)各異，裂縫數(shù)量和尺度存在差異，對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響也各不相同［1］。針對(duì)壩體裂縫成因、擴(kuò)展、裂縫控制、裂縫影響以及處理措施等，目前已有大量的研究成果［2］，但由于各個(gè)工程都有自身顯著的特點(diǎn)，因此借鑒已有成果時(shí)要準(zhǔn)確掌握裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際影響，進(jìn)行細(xì)致的定量分析［3］。

大壩上游面裂縫，尤其是壩踵部位裂縫是最需要關(guān)注的，因該部位處于水下，受力狀態(tài)復(fù)雜，同時(shí)涉及到防滲性能和結(jié)構(gòu)安全兩個(gè)方面。針對(duì)上游面壩踵部位裂縫問題，以往的研究成果多從壩踵裂縫的成因和穩(wěn)定性［4-5］、壩踵部位裂縫對(duì)壩體靜力和動(dòng)力性能的影響［6-7］以及壩踵開裂的解決措施［5］等方面探討。本文針對(duì)某重力壩岸坡兩個(gè)壩段上游壩踵附近存在裂縫的情況，采用有限元和材料力學(xué)方法分析裂縫可能對(duì)壩體變形、應(yīng)力和穩(wěn)定性造成的影響，并對(duì)大壩的整體安全情況給出評(píng)價(jià)，以期為大壩蓄水和運(yùn)行提供科技支撐。

2 大壩裂縫情況

某水電站位于金沙江流域下游，攔河大壩為常態(tài)混凝土實(shí)體重力壩，最大壩高162.00 m。其中左岸岸坡壩段擋水前緣總長199.92 m，共分為12個(gè)壩段，最大壩高122.00 m，圖1為典型壩段整體結(jié)構(gòu)剖面。左岸坡壩段壩前山體單薄，壩基巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面節(jié)理發(fā)育，在這種不利的地形地質(zhì)條件下，帷幕灌漿施工時(shí)壩基巖體產(chǎn)生了一定的抬動(dòng)變形，同時(shí)疊加自重荷載和溫度荷載作用，使壩體出現(xiàn)了一些裂縫。

其中有兩個(gè)壩段（編號(hào)為1#壩段、2#壩段）上游面存在裂縫：（1）1#壩段縫長7 m，縫寬0.2～1.0 mm，與水平面夾角約10°，經(jīng)鉆孔取芯檢查，縫面傾下游，初步判斷裂縫已延伸至建基面高程；（2）2#壩段縫長10.0 m，縫寬1.0～2.0 mm，縫面傾下游，與鉛直線夾角較陡，經(jīng)檢查和判斷應(yīng)已延伸至建基面高程。

1#壩段裂縫分布如圖2所示，2#壩段與此相似。由圖2可知，在上游面，裂縫長度在0.5～1.0倍壩段長度之間，在橫剖面上壩體壩踵部分被上游面裂縫與整體相分割。在這種情況下，壩段結(jié)構(gòu)整體性受到影響，整體剛度會(huì)降低，同時(shí)，順河向?qū)嶋H抗剪長度變短，抗滑安全系數(shù)減小，本文對(duì)存在上游面裂縫的1#和2#壩段進(jìn)行研究，分析結(jié)構(gòu)安全情況。

圖1 典型壩段整體結(jié)構(gòu)剖面（單位：m）

圖2 1#壩段上游面裂縫（單位：m）

3 分析方法和網(wǎng)格模型

3.1 分析方法為研究上游面裂縫對(duì)大壩的影響，本文進(jìn)行兩種工況的對(duì)比分析，即無裂縫完好情況下結(jié)構(gòu)工作性態(tài)和極端惡劣情況下結(jié)構(gòu)工作性態(tài)，其中考慮極端惡劣情況時(shí)，裂縫上游部分混凝土完全不予考慮，這時(shí)結(jié)構(gòu)如滿足各項(xiàng)安全要求，則結(jié)構(gòu)應(yīng)是安全的，其它裂縫擴(kuò)展程度的影響均應(yīng)小于此極端惡劣情況。

計(jì)算采用線彈性有限元分析方法，荷載考慮壩體自重、正常蓄水位時(shí)靜水壓力、淤沙壓力以及揚(yáng)壓力。計(jì)算軟件為中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料所自行開發(fā)的結(jié)構(gòu)多場仿真與非線性分析軟件Saptis［8-9］?？够€(wěn)定采用規(guī)范［10］規(guī)定的材料力學(xué)分析方法進(jìn)行計(jì)算，即：

式中：K為抗剪斷穩(wěn)定安全系數(shù)；f′為計(jì)算截面的抗剪斷摩擦系數(shù)；c′為計(jì)算截面的抗剪斷凝聚力；∑W為作用于單寬壩段上全部荷載在計(jì)算斷面上法向分力的總和；A為單寬壩段的計(jì)算斷面面積；∑P為作用于單寬壩段全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的切向分力；σy為豎向應(yīng)力；∑M為作用于單寬壩段上全部荷載對(duì)計(jì)算斷面截面形心軸的力矩總和；J為單寬壩段的計(jì)算斷面面積對(duì)形心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；X為計(jì)算截面上計(jì)算點(diǎn)到形心的距離。

3.2 網(wǎng)格模型根據(jù)工程實(shí)際地形地質(zhì)條件、壩體結(jié)構(gòu)以及材料分區(qū)等，建立了能較為客觀、準(zhǔn)確模擬大壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地質(zhì)構(gòu)造特征的計(jì)算模型，包括壩體混凝土和基巖分區(qū)、壩基軟弱夾層、優(yōu)勢節(jié)理、擠壓破碎帶和壩體主廊道等。基礎(chǔ)網(wǎng)格模型見圖3，壩體網(wǎng)格見圖4所示。

圖3 基礎(chǔ)網(wǎng)格模型

圖4 壩體網(wǎng)格模型

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 有限元分析結(jié)果有限元計(jì)算結(jié)果顯示，壩體上游裂縫前混凝土是否考慮對(duì)壩體整體變形規(guī)律和變形值大小有一定影響。整體變形規(guī)律方面，兩者基本相同，其中順河向指向下游，橫河向指向河床中部；壩體高程越高，變形越大；隨上游水位升高，壩體變形增大。

表1 壩段迎水面頂部中點(diǎn)變形 （單位：mm）

變形值方面，完好情況和惡劣情況下壩體變形對(duì)比如表1所示，該變形不包括自重階段變形，為單純靜水壓力變形。從表1可以看到，在不考慮壩體上游裂縫前部混凝土?xí)r，壩體順河向和橫河向變形均有所增大，增幅在30%左右，說明結(jié)構(gòu)整體剛度受到裂縫影響有所降低，使得變形明顯增大。

圖5 正常水位下混凝土壩體豎向應(yīng)力云圖（單位：MPa）

表2 豎向應(yīng)力 （單位：MPa）

壩體上游裂縫前混凝土是否考慮，對(duì)壩體整體應(yīng)力分布影響不明顯，上、下游面均為壓應(yīng)力。圖5為正常水位時(shí)惡劣情況下壩體上游面豎向應(yīng)力情況。從圖5可以看到，上游面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力值隨高程增大逐漸減小，高程越高，壓應(yīng)力越小。表2為完好情況和惡劣情況下壩踵、壩趾豎向應(yīng)力情況。由表2可以看出，兩種工況下壩體壩踵、壩趾均為壓應(yīng)力，符合規(guī)范要求。盡管惡劣情況下壩體剛度有所削弱，但壩踵和壩趾部位仍為壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力有所增大。壩踵部位壓應(yīng)力增大的原因在于自重作用下建基面減小，同時(shí)重心前移，造成壩踵部位特別是低水位時(shí)應(yīng)力增加較多。壩趾部位應(yīng)力有所增大，但增加幅度較小。

4.2 材料力學(xué)方法成果采用材料力學(xué)法對(duì)兩種情況下壩體穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)結(jié)果見表3所示。由表3數(shù)值可以看到，惡劣情況下，建基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)有所降低，其中1#壩段降低3.7%，2#壩段降低9.27%，但兩個(gè)壩段安全系數(shù)仍達(dá)到3.91和4.11。

表3 建基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

表4 正常水壓荷載下壩踵壩趾應(yīng)力（單位：MPa）

表4為采用材料力學(xué)方法得到的壩踵、壩趾豎向應(yīng)力。由表4可以看到，兩種工況下壩踵、壩趾均為壓應(yīng)力，惡劣情況下壩踵、壩趾壓應(yīng)力比完好情況有所增大，1#壩段壩踵、壩趾分別增大11%和9%，2#壩段壩踵、壩趾分別增大5%和4%，與有限元分析成果規(guī)律一致，能夠相互吻合。

5 結(jié)論

通過對(duì)某重力壩上游面出現(xiàn)裂縫的1#和2#壩段的分析，可以得到如下結(jié)論：（1）壩體上游裂縫前混凝土是否考慮對(duì)壩體整體變形和應(yīng)力分布規(guī)律影響不明顯，兩者變形場和應(yīng)力場分布規(guī)律基本相同；（2）壩體上游裂縫前混凝土是否考慮對(duì)壩體剛度有一定程度的影響，不考慮該混凝土?xí)r，壩體順河向和橫河向變形有所增大，說明壩體整體剛度有所減??；（3）壩體上游裂縫前混凝土是否考慮對(duì)壩體壩踵、壩趾應(yīng)力有一定影響，兩者壓應(yīng)力均有所增大，其中壩踵部位壓應(yīng)力增大的原因應(yīng)在于自重作用下建基面減小，同時(shí)重心前移，造成壩踵部位特別是低水位時(shí)應(yīng)力增加較多。壩趾部位壓應(yīng)力有所增大，但增加幅度較??；（4）材料力學(xué)法計(jì)算結(jié)果顯示，不考慮壩體上游裂縫前混凝土?xí)r，壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)有所減小，但仍大于3.0，符合安全要求；同有限元計(jì)算結(jié)果一樣，壩踵、壩趾均為壓應(yīng)力且比完好結(jié)構(gòu)有所增大，符合規(guī)范要求；（5）工程上采取了裂縫灌漿、錨桿穿縫連接以及上游貼混凝土板封閉縫面等措施，對(duì)提高壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)以及減小壩踵、壩趾應(yīng)力有一定的作用。

［1］ 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京：中國電力出版社，1999.

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［9］ 周秋景，張國新.SAPTIS：結(jié)構(gòu)多場仿真與非線性分析軟件開發(fā)及應(yīng)用（之二）［J］.水利水電技術(shù)，2013，44（9）：39-43.

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Analysis of impact of upstream face cracks on working performance in slopedam section of a gravity dam

GONG Zhao-guang1，GAO Peng1，ZHOU Qiu-jing2，LI Hai-feng2
（1.China Three Gorges Corporation，Xiangjiaba Project Construction Department.，Yibin 644625，China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Cracks near dam heel exist in two dam sections of a gravity dam.In order to analyze the im?pact on workingperformanceof thedam，theextremecaseis considered that theconcretebeforethe cracks are removed.Deformation，stress and stability against sliding are given with FEM and Mechanics of materials.The results show that the global stiffness decreases and deformation increases slightly with cracks in the dam.The compressive stress value of dam heel and dam toe increase，therefore the stress status is better than the integrated dam.The stability coefficients against sliding decrease slightly.Overall，the exist?ing cracks will not have a significant impact on the structure working performance and the dam will work safely.

gravity dam；upstream face crack；deformation；stress；stability against sliding

TV642.3

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.03.020

1672-3031（2014）03-0332-05

（責(zé)任編輯：王冰偉）

2014-03-31

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51209235，51109035）；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201201050）；十二五科技支撐計(jì)劃課題（SQ2013BAJY4138B02）；國家973計(jì)劃課題（2013CB035904，2013CB036406）；中國水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)（1412）

宮照光（1982-），男，山東乳山人，工程師，碩士，主要從事壩工建設(shè)研究。E-mail：158164518@qq.com