某薄拱壩中孔閘墩裂縫成因分析及處理措施研究

魯傳銀，陳毅峰，羅洪波，徐 林

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

1 前言

某薄拱壩為拋物線雙曲薄拱壩，壩高162 m，頂寬6 m，底寬25 m，厚高比僅為0.163，壩頂中心弧長254.35 m，最大中心角94.1°，最小中心角64.5°，壩體呈不對稱布置。

該拱壩運(yùn)行十多年來，左中孔閘墩裂縫由微裂縫發(fā)展為滲水裂縫。2011 年8 月10 日在進(jìn)行大壩巡視檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)左中孔閘墩右邊墻靠近大壩下游面附近原滲水裂縫又出現(xiàn)滲水情況，并伴有線狀的射水現(xiàn)象。左中孔結(jié)構(gòu)布置見圖1。如何全面掌握中孔裂縫發(fā)育形態(tài)，了解裂縫及其進(jìn)一步發(fā)展、長期滲水對中孔乃至大壩整體結(jié)構(gòu)的影響，確定裂縫的處理措施，并預(yù)防和控制進(jìn)一步的開裂，徹底解決其安全隱患，成為該拱壩左中孔后期安全運(yùn)行亟待解決的問題[1］。

圖1 左中孔閘墩結(jié)構(gòu)布置圖

2 裂縫成因分析

2.1 裂縫分布情況

為了真實(shí)掌握中孔閘墩裂縫的開展情況，結(jié)合現(xiàn)場裂縫的開展情況，采用鉆孔全景成像、聲波對穿等手段對大壩中孔閘墩附近的裂縫發(fā)育的深度進(jìn)行檢測。探查裂縫性狀檢測，包括檢測裂縫的長度、寬度和深度等信息。對導(dǎo)墻表面裂縫進(jìn)行全面排查，共發(fā)現(xiàn)11 條裂縫（L1～L11）、結(jié)構(gòu)縫F12 及施工分縫F13，見圖2。

圖2 大壩左中孔閘墩裂縫分布圖

11 條裂縫主要分布在導(dǎo)墻主錨索輻射范圍之內(nèi)且靠近下游壩面區(qū)域，傾角多以陡傾角發(fā)育。按其裂縫走向可分三類：一是走向呈水平分布，如L6 裂縫；二是走向呈豎直向分布，如L1 裂縫和L3 裂縫；三是走向與豎直向呈45°～60°角度分布，如L2、L5、L7、L8、L9 裂縫。根據(jù)裂縫開展深度，分為貫穿性裂縫、深層裂縫、淺層裂縫。其中貫穿性裂縫1 條，為L1；深層裂縫6 條，分別為L3、L5、L6、L7、L8 及L9；淺裂縫或表面裂縫4 條，為L2、L4、L10 及L11。

2.2 分析理論與模型

根據(jù)東風(fēng)拱壩左中孔裂縫現(xiàn)狀，基于高拱壩真實(shí)工作性態(tài)理論，運(yùn)用三維非線性有限元分析方法、子模型技術(shù)、離散裂縫模型開展裂縫成因分析進(jìn)行分析。拱壩有限元模型見圖3。計(jì)算荷載包括考慮結(jié)構(gòu)體自重、上游靜水壓力、主（次）錨索張拉力、弧門推力、單側(cè)關(guān)門時(shí)另一側(cè)的過水壓力、單側(cè)關(guān)門另一側(cè)檢修門關(guān)閉時(shí)檢修門對門槽的壓力、地震時(shí)結(jié)構(gòu)體慣性力以及地震時(shí)動水壓力等[2］。

圖3 拱壩有限元模型

2.3 裂縫成因分析

根據(jù)目前中孔閘墩裂縫研究現(xiàn)狀與成果，結(jié)合本工程實(shí)際情況，初步確定導(dǎo)致左中孔閘墩出現(xiàn)裂縫的因素主要有預(yù)應(yīng)力錨索錨固力產(chǎn)生次生拉應(yīng)力、豎井支承不均勻沉降、導(dǎo)墻與壩體結(jié)構(gòu)限制性變形、貫穿性裂縫L1 影響。其中，L1 裂縫的產(chǎn)生原因?yàn)椤柏灤┬粤芽pL1 是由于表面內(nèi)外溫差較大，在多種因素長期作用下形成的裂縫”。

根據(jù)有限元分析結(jié)果，在自重+預(yù)應(yīng)力荷載作用下，右導(dǎo)墻的主拉應(yīng)力基本在0.8 MPa 以內(nèi)。主拉應(yīng)力較大部位主要集中在上游進(jìn)口與拱壩壩體接觸的上游面中下部牛腿位置，而出口右導(dǎo)墻主拉應(yīng)力值除頂部局部約0.4 MPa 拉應(yīng)力外，其余部位均無明顯拉應(yīng)力區(qū)，因此，預(yù)應(yīng)力錨索次生拉應(yīng)力不應(yīng)該是導(dǎo)墻產(chǎn)生裂縫的主要原因[3］。

隨著豎井支承模量不斷降低，導(dǎo)墻中部區(qū)域的主拉應(yīng)力也逐漸增大，其主拉應(yīng)力方向與豎直方向呈45°斜交，該方向與該區(qū)域裂縫走向基本呈正交。但從應(yīng)力值來看，豎井支承彈性模量處于設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，最大拉應(yīng)力值在約1.0 MPa 左右，不至于產(chǎn)生裂縫。因此，豎井支承混凝土強(qiáng)度不均勻不是裂縫產(chǎn)生的主要原因。

從高應(yīng)力區(qū)分布位置、左右中孔結(jié)構(gòu)受力對比分析看，導(dǎo)墻與壩體結(jié)構(gòu)限制性變形不是左中孔右導(dǎo)墻產(chǎn)生裂縫的主要原因。在左中孔右導(dǎo)墻與壩體連接部位存在裂縫情況下，左中孔兩側(cè)導(dǎo)墻的抗彎、抗扭剛度等混凝土性能不一致，消弱了原設(shè)計(jì)的鋼板消除限制性變形的作用，因此，在有裂縫的情況下，導(dǎo)墻與壩體結(jié)構(gòu)限制性變形對存在裂縫一側(cè)的表面應(yīng)力有不利影響[4］。

由主拉應(yīng)力分布云圖4 可知，貫穿性裂縫L1 的存在對導(dǎo)墻主拉應(yīng)力分布影響較大，死水位+溫降工況下貫穿性裂縫L1 的存在使得導(dǎo)墻中部的最大主應(yīng)力增大0.2 MPa 左右，最大拉應(yīng)力增大至1.55 MPa。完好結(jié)構(gòu)（無貫穿性裂縫L1）導(dǎo)墻表面主要應(yīng)力區(qū)集中在導(dǎo)墻頂部。而模擬了貫穿性裂縫L1的結(jié)構(gòu)導(dǎo)墻表面應(yīng)力明顯出現(xiàn)重分布現(xiàn)象，高拉應(yīng)力區(qū)部位由導(dǎo)墻頂部轉(zhuǎn)至導(dǎo)墻與壩體相接的中下部，而這點(diǎn)與裂縫開展性狀、部位吻合。因此，貫穿性裂縫L1 的存在是導(dǎo)致右閘墩出現(xiàn)裂縫的主要原因。

圖4 主拉應(yīng)力分布云圖（貫穿性裂縫L1 影響）

因此，通過各影響因素分析，左中孔導(dǎo)墻裂縫受多因素影響。貫穿性裂縫L1 是由于表面內(nèi)外溫差較大，在多種因素長期作用下形成的裂縫，貫穿性裂縫L1 的存在削弱了右導(dǎo)墻與壩體的連接性，導(dǎo)致了導(dǎo)墻應(yīng)力的重分布，影響了導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，且表面應(yīng)力值加大，范圍與裂縫開展部位吻合性較好，是左中孔右導(dǎo)墻裂縫產(chǎn)生的主要原因。

3 裂縫對大壩安全度影響分析

根據(jù)調(diào)研的部分工程縫面參數(shù)取值結(jié)果，并結(jié)合東風(fēng)工程左中孔裂縫處理情況，擬定縫面計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 縫面參數(shù)取值表

不同裂縫狀態(tài)下正常蓄水位+溫降／溫升工況壩體順河向變形進(jìn)行對比分析見表2。由表中對比分析可知，中孔裂縫經(jīng)過處理后對大壩整體安全不影響。

表2 壩體順河向變形對比表 單位：mm

根據(jù)裂縫開合狀態(tài)分布，裂縫L7、L8、L9、L3、L1 處于張開狀態(tài)，裂縫L11、L5 處于部分張開狀態(tài)。由此可見，右閘墩上各裂縫大部分均處于張開狀態(tài)。右閘墩裂縫對右導(dǎo)墻的應(yīng)力產(chǎn)生重分布，對右閘墩應(yīng)力分布影響很大，縫端拉應(yīng)力較大，可能存在裂縫開展的風(fēng)險(xiǎn)。

4 裂縫處理措施研究

針對裂縫處理方案應(yīng)是一個(gè)漸進(jìn)的過程，必定裂縫處理的方案為：1）灌漿封閉加固；2）粘鋼加固；3）封堵方案。擬定裂縫灌漿處理后縫面力學(xué)參數(shù)為：1）方案1：抗拉強(qiáng)度1.00 MPa，粘聚力1.00 MPa，摩擦系數(shù)1.30；2）方案2：抗拉強(qiáng)度1.00 MPa，粘聚力1.00 MPa，摩擦系數(shù)0.65；3）方案3：抗拉強(qiáng)度0.75MPa，粘聚力0.75 MPa，摩擦系數(shù)1.30。擬定粘鋼加固方案為：1）方案1：僅粘鋼加固，鋼板厚度取20 mm；2）方案2：導(dǎo)墻內(nèi)部增設(shè)50 cm 混凝土+粘鋼加固，鋼板厚度取20 mm。3 種裂縫處理方案變形、應(yīng)力及縫面工作性態(tài)情況對比見表3。

表3 不同裂縫處理方案變形、應(yīng)力及縫面工作性態(tài)情況對比表

灌漿方案雖然能增加右導(dǎo)墻整體性，提高變形剛度，但在承受外荷載后，右導(dǎo)墻部分裂縫仍二次張開，但是裂縫未出現(xiàn)擴(kuò)展，可考慮采用灌漿封閉加固處理方案。粘鋼加固方案使左中孔整體性增強(qiáng)且適應(yīng)拱壩限制性變形能力增大，因此粘鋼加固方案下右導(dǎo)墻應(yīng)力狀態(tài)得到明顯改善，但右導(dǎo)墻L1 裂縫仍二次張開，考慮到粘鋼方案的的可實(shí)施性較差，不推薦采用粘鋼加固方案。封堵方案既改變左中孔局部變形與受力，又去除了導(dǎo)墻所承受的弧門推力荷載，大大改善了右導(dǎo)墻受力狀態(tài)，但采用封堵方案改變了工程的結(jié)構(gòu)和泄洪能力，需對大壩泄洪調(diào)節(jié)能力、水庫運(yùn)行調(diào)度、壩頂高程及壩體應(yīng)力穩(wěn)定等的影響進(jìn)行分析，并報(bào)相關(guān)審查單位審查批準(zhǔn)，實(shí)施難度較大。

5 結(jié)語

基于高拱壩真實(shí)工作性態(tài)理論，運(yùn)用三維非線性有限元分析方法、子模型技術(shù)、離散裂縫模型開展薄拱壩中孔閘墩裂縫成因、裂縫對大壩安全度影響分析、裂縫處理措施研究。研究結(jié)果表明，中孔閘墩裂縫的產(chǎn)生受多因素影響，裂縫處理后對大壩整體安全不影響，中孔閘墩局部結(jié)構(gòu)在荷載作用下，部分裂縫處于張開狀態(tài)，可采用灌漿封閉的加固處理方案。