蟒塘溪大壩廠房壩段下游面裂縫成因分析及處理

唐 卓

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007）

1 概 況

蟒塘溪水利水電樞紐工程位于湖南省沅水一級(jí)支流舞水中游，地處湖南省芷江侗族自治縣境內(nèi)，下距芷江縣城6 km?？値?kù)容1.53億m3，是大（Ⅱ）型水庫(kù)，樞紐工程屬二等工程。擋水壩為2級(jí)建筑物；電站廠房為3級(jí)建筑物。

廠房為壩后式，大壩在廠房上游處共分3個(gè)廠房壩段。3臺(tái)機(jī)組壩內(nèi)發(fā)電引水管分別分布在3個(gè)廠房壩段正中間，發(fā)電引水管為C20混凝土結(jié)構(gòu)，流道內(nèi)表面有配筋，壩體下游表面未配筋。3個(gè)廠房壩段的壩下游面中間部位（沿壩體內(nèi)發(fā)電引水管斜直段位置）（圖1）都有一條與橫縫近乎平行的長(zhǎng)裂縫，裂縫寬度（1.5～1.7）mm，有白色析出物殘留。初步判斷此3條裂縫部分位置已經(jīng)貫穿到發(fā)電引水管內(nèi)，冬季張開，出現(xiàn)滲水，夏季閉合，滲水停止。根據(jù)《安全鑒定報(bào)告》的描述，裂縫為引水管外側(cè)混凝土最薄處，受到溫度應(yīng)力的影響，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象而導(dǎo)致。

2 應(yīng)力分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該裂縫產(chǎn)生的原因以便提出與之對(duì)應(yīng)的處理方法，對(duì)該部分進(jìn)行了ADINA有限元應(yīng)力分析，分析過程及成果如下：

圖1 廠房壩段剖面圖

（1）計(jì)算參數(shù)。廠房壩段采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，鋼筋采用HPB235和HRB335鋼筋，相關(guān)混凝土、鋼筋與鋼材的強(qiáng)度及特性見《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2008）。 相關(guān)溫度參數(shù)：C20混凝土熱傳導(dǎo)系數(shù)為 2.33 w/m·k，C20混凝土比熱容1 005 J/（kg·K）。

模型整體采用線彈性材料，垂直流道截取壩體斷面，采用平面應(yīng)力進(jìn)行受力分析。分別計(jì)算鋼筋混凝土發(fā)電引水管流道無(wú)水、有水、溫度作用等情況下的應(yīng)力情況。

（2）計(jì)算荷載。計(jì)算的主要荷載為流道內(nèi)部受水壓力，溫度荷載等。

流道內(nèi)的水體，以相應(yīng)的壓力施加到流道周邊中，溫度荷載作為邊界條件施加在截面的內(nèi)外側(cè)。

（3）建立模型及確定工況。計(jì)算采用平面有限元法，選取一個(gè)壩段流道斷面進(jìn)行平面應(yīng)力分析。模型砼采用線彈性材料，溫度和水壓力荷載分別施加在流道內(nèi)部和外圍的斷面上，模型采用2D-solid單元?jiǎng)澐?。約束方式采用底部固結(jié)；兩側(cè)由于溫度縫，無(wú)約束，模型見圖2。使用ADINA的TMC模塊進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合。

圖2 一個(gè)壩段計(jì)算截面

壩后溫度采用氣溫，壩前和管內(nèi)采用庫(kù)水溫度，分別計(jì)算了以下4種工況：

工況1：只考慮自重。

工況2：流道內(nèi)充滿水（不考慮溫度變化）。

工況3：冬季流道充滿水（當(dāng)?shù)卣顩r下，內(nèi)部溫度10℃，外部溫度5℃；同時(shí)考慮8 m水錘壓力的最不利工況）。

工況4：夏季流道充滿水（當(dāng)?shù)卣顩r下，內(nèi)部水溫22℃，外部溫度27.7℃；同時(shí)考慮8 m水錘壓力的最不利工況）。

（4）應(yīng)力計(jì)算。限于篇幅計(jì)算成果圖只列舉最不利工況3（A點(diǎn)拉應(yīng)力最大工況，A點(diǎn)所在面未配鋼筋），工況1、工況2、工況4應(yīng)力計(jì)算成果見附表。

工況3：冬季流道內(nèi)充滿水（流道內(nèi)10℃，外部5℃；考慮8m水錘受力最不利工況），計(jì)算成果圖見圖3～圖5。

在選取計(jì)算結(jié)果的過程中針對(duì)廠房段流道頂部裂縫，選取流道頂部相應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)A、B。

附表 流道頂部關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力情況成果表（+受拉，-受壓）

圖3 溫度場(chǎng)（工況3）

圖4 第一主應(yīng)力（工況3）

圖5 水平向拉應(yīng)力（工況3）

3 結(jié)論及裂縫處理

計(jì)算結(jié)果表明，A點(diǎn)為未配筋區(qū)域，最危險(xiǎn)為工況3，最大水平拉應(yīng)力達(dá)到1.252MPa，超出混凝土極限抗拉強(qiáng)度，實(shí)際出現(xiàn)裂縫位置與計(jì)算中抗拉區(qū)一致；另外從A、B兩點(diǎn)在不同的工況下均出現(xiàn)了不同的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力的情況來(lái)看，隨著季節(jié)與氣候變化該區(qū)域混凝土處于受壓和受拉不斷循環(huán)的過程，因此該處混凝土也存在疲勞破壞的可能。溫度荷載在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不能忽視。

B點(diǎn)在工況4（夏季）下，均出現(xiàn)了1.38MPa以上的拉應(yīng)力，該處配了2排Φ25@175的鋼筋，經(jīng)復(fù)核，該處鋼筋可以承受該部分拉應(yīng)力，不需要再進(jìn)行加固。

根據(jù)應(yīng)力分析圖譜，A點(diǎn)在工況二、工況三下均出現(xiàn)了拉應(yīng)力，而該區(qū)域正好是未配鋼筋區(qū)域，因此需要對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固以減少拉應(yīng)力對(duì)于混凝土的作用，控制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。目前對(duì)于開裂結(jié)構(gòu)的加固主要有粘貼碳纖維和粘貼鋼板等方案，綜合工作環(huán)境適應(yīng)性與現(xiàn)狀選擇采用粘貼鋼板對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，材料選用Q235鋼板。通過對(duì)各種工況下所需要的鋼板厚度的計(jì)算，得出鋼板的最小厚度為3.4 mm，考慮到安全系數(shù)以及銹蝕等因素，本次選擇6 mm厚的鋼板。根據(jù)有限元應(yīng)力圖譜發(fā)現(xiàn)大壩下游側(cè)在不同工況下拉應(yīng)力分布寬度約為6m，本次擬對(duì)受拉區(qū)全部加固，同時(shí)保證兩側(cè)大于200 t（t為鋼板厚度)的錨固長(zhǎng)度，因此粘鋼的寬度確定為8.4m，為便于施工鋼條寬度采用（10～20）cm。裂縫經(jīng)粘貼鋼板處理后目前發(fā)電引水管運(yùn)行情況良好。

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