水库拱坝裂缝成因管理论文

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1工程概况及大坝开裂情况

大坂水库位于漳平市永福镇新安溪中游，是一座以发电为主，结合灌溉的综合利用中型水利工程。坝址控制流域面积93km2，水库总库容1462万m3，兴利库容1120万m3，死库容130万m3。水库正常蓄水位518.00m，P=2%设计洪水位520.95m，P=0.2%校核洪水位522.26m。大坝为100#浆砌块石单心圆双曲拱坝，最大坝高62.4m。

坝址两岸基岩裸露，出露岩性主要为燕山早期的黑云母花岗岩，次为喜山期的石英斑岩。坝址区主要存在一条陡倾角F2断层和一条f1裂隙性断层。

该大坝于1985年5月开工兴建，1989年5月水库开始蓄水，1989年9月封顶。建成后历史最高水位为519.99m（1996年8月1日），历史最低水位约为479.00m（1998年12月）。2001年12月，水库水位降至480.50m后，检查中发现左岸上、下游面及坝顶均可见有一条沿径向的贯穿性1#垂直裂缝，长约20m，缝宽约1mm～2mm，裂缝经过处部分坝面砼预制块也拉裂。另外在坝顶还发现11条小裂缝，左岸7条，右岸4条，长度小于1m，缝宽均为1mm以内，且均未向下发展。未发现水平裂缝。对大坝进行水平和垂直位移观测结果表明位移量很小，均在规范控制值范围内。大坝左岸拱端山体稳定。裂缝位置示意图见图1。

图1拱坝裂缝位置示意图

2大坝应力复核

坝体采用100#细石砼砌块石，上、下游坝面为100#水泥砂浆浆砌毛条石并深勾缝，施工时中上部坝面采用150#砼预制块取代条石。坝体基础采用0.5m厚150#砼垫层。砌石坝体不分缝。坝顶外缘弧长128.22m。中间溢流段外缘弧长50.19m。双曲拱坝基本尺寸见表1。

表1拱坝基本尺寸表

高程(m)拱圈厚度(m)上游坐标(m)拱圈内半径(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

500.64.8134.69843.96151.145.9

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

应力复核考虑的荷载组合为：

①基本荷载组合：正常蓄水位压力+淤沙压力+自重+均匀温降；

②基本荷载组合：死水位水压力+淤沙压力+自重+均匀温升；

③特殊荷载组合：校核洪水位水压力+淤砂压力+自重+均匀温升；

④特殊荷载组合：死水位水压力+淤沙压力+自重+均匀温降。

封拱温度取多年平均气温20.3℃，气温年升幅7.7℃，年降幅9.7℃。应力分析采用全调整的改进多拱梁分载法软件计算，主应力计算成果汇总表见表2。典型应力等值线图见图2。

主应力计算成果汇总表

表2单位：MPa

计算工况上游坝面最大主拉应力上游坝面最大主压应力下游坝面最大主拉应力下游坝面最大主压应力

工况①-1.11[6R0C]2.35[6R0C]-0.77[9R0C]3.79[7R-5C]

工况②-0.52[6R0C]1.73[6R-6C]-0.94[5R-7C]1.54[7R0C]

工况③-1.15[9R-3C]1.99[5R0C]-0.27[3R-9C]4.17[7R-5C]

工况④-1.67[1R11C]1.46[11R1C]-0.92[2R10C]1.37[7R0C]

从应力复核成果可以看出，工况①、工况②及工况③坝面的主应力值基本满足规范要求，但特殊荷载组合工况④出现最大拉应力超标较多，即死水位遇温降工况，最大拉应力达1.67MPa，出现在左岸坝顶上游拱端。其中1#裂缝处最大拉应力计算值约为0.6MPa。

图2工况④上游面第一主应力等值线图

3裂缝成因分析

大坂水库拱坝是固接于基岩的整体结构，坝身不设永久性伸缩缝。由应力复核成果及大坝没有水平裂缝的迹象表明，本工程不是因为拱坝超载而开裂。通过对拱座基岩的详细勘察及大坝位移观测，未发现基岩有移动和变形迹象，可以排除本工程拱坝裂缝是由于拱座失稳或基岩不均匀沉陷引起的。1#裂缝的发展方向为规则的垂直方向，裂缝经过处灰缝及坝面石均开裂，据此可基本排除开裂是因坝体施工质量引起的。

由于1#裂缝产生的时间是冬季枯水期，结合应力计算成果可以基本断定开裂原因是由温度应力造成的。由于大坝上部施工时段为6月～9月，实际封拱平均气温达26.8℃，冬季气温骤降后，温降幅度远比计算值9.7℃大，因此实际温降应力比理论分析值更大。若根据施工实际气温情况来确定封拱温度，对死水位遇温降工况再进行应力计算，计算结果左岸上游坝顶拱端拉应力高达2.37MPa，已大大超过材料抗拉极限。其坝体应力等值线图见图3。

图3按实际封拱温度计算的上游坝面第一主应力等值线图

理论分析温度应力最大值位于拱端，而1#裂缝并不在拱端出现，而距拱端有一定距离，这是因为拱端处基岩会产生变形，使应力松驰；同时，在水压等各种荷载迭加的条件下，实际拉应力最大值并不一定发生在拱端。坝顶拱厚最小，温降荷载则最大，当超限拉应力出现后，沿拱轴产生的拉力使拱圈自顶向底径向开裂。另外，砌石拱坝灰缝较多，建成后不可避免地有一个干缩过程。梯形河谷底面与斜坡的交叉点处，是干缩量由大变小的界线，其作用类似不均匀沉陷。由于坝址左岸489m高程以下坝基较陡，坡度达60°～70°，左岸上部相对较缓，坡度约45°～50°，坝基岸坡有突变现象。岸坡的突变使得砌缝干缩量产生较大差异，结果必然在顶部相当于它们之间界面的投影位置处，比较容易形成裂缝。这就是温降造成的1#竖直裂缝，其位置接近于左岸下部岸坡变化点的原因。

4结论及裂缝修补措施

根据上述裂缝成因分析，导致本工程拱坝开裂的主要原因是水库低水位时的气温骤降，因温度应力超负荷引起的。由于砌石拱坝一般不设结构缝，多采用均匀上升、层层封拱的施工方法，设计计算考虑的封拱温度一般低于多年平均值，而夏季施工时，混凝土的入仓温度及封拱温度较难控制，造成实际温降应力大大高于计算值。许多经历夏季施工的砌石拱坝在第一个冬季后就有不同程度的开裂。

本工程拱坝出现较大拉应力主要出现在水库水位较低时，拉应力较大区域也主要分布在大坝上部两岸拱端，一般不致引起较大渗漏。当库水位较高时，在外荷作用下，拱的内力以压为主，有的小裂缝还会在水压力作用下会自行闭合。坝体开裂后形成的二次拱，也会阻止裂缝的发展。因此单纯由温度应力造成的裂缝危害性并不大。

本工程1#裂缝规模较大，且已形成通缝，为防止拱坝应力重分配后出现局部应力恶化，出现新的裂缝，必须对1#裂缝进行必要的修补。修补时间应在冬季气温较低时进行，否则冬季仍有可能会拉裂张开。

修补方法借鉴安徽清风岩水电站拱坝裂缝修补的成功经验，采用先补后灌的施工方法。通过防渗，防止裂缝因射水而扩张；通过内部补强灌浆，恢复拱坝拱向承载条件。具体方法简述如下：先沿裂缝开槽，在开好的槽上骑缝布设灌浆管，间隔1.0m～1.5m左右。在上游面裂缝中嵌入GBW遇水膨胀橡胶止水条，再用聚合物柔性砂浆将槽封闭，下游槽埋设灌浆管后，直接用聚合物柔性砂浆封槽。封槽后2～3天，对裂缝进行灌浆处理。灌浆水泥浆液中掺入适量微膨胀剂，使浆液在硬化过程中产生微膨胀以补偿水泥的收缩效应，提高与被灌体的粘结抗渗性，从而恢复坝体的整体性。灌浆压力为0.2MPa。灌浆顺序为：先上游缝后下游缝，自下而上施灌。

2002年底，大坂水库管理处对坝面裂缝进行灌浆处理后，水库蓄水位开始回升，水库重新发挥了效益。