豐樂混凝土雙曲拱壩裂縫分析

1、豐樂混凝土雙曲拱壩裂縫分析摘要：豐樂水庫大壩為變圓心變半徑的等厚拱混凝土雙曲拱壩。1978年夏季，壩區(qū)出現(xiàn)百年不遇的長期高溫干旱氣候，此時(shí)水庫又處于空庫狀態(tài)，致使壩體長期在空庫自重溫升荷載組合下運(yùn)行。1978年冬季，在左、右岸下游壩面分別出現(xiàn)9條和3條裂縫；其后，下游壩面陸續(xù)發(fā)現(xiàn)新的裂縫。本文通過對下游壩面裂縫原因的分析，總結(jié)出拱壩設(shè)計(jì)中在體型及日照溫度等方面對壩體應(yīng)力的影響，借以提出對拱壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)日照影響因素進(jìn)展妥善改良。關(guān)鍵詞：砼拱壩壩裂縫體型溫度日照成因分析豐樂雙曲拱壩1工程概況豐樂水庫位于安徽省黃山市巖寺區(qū)境內(nèi)豐樂河上，距黃山東南約50k，是一以防洪、灌溉為主結(jié)合發(fā)電的綜合利用工

2、程，水庫尾水流入新安江水庫。水庫總庫容8400萬3，壩址以上控制流域面積297k2，為中型三等工程。水庫校核洪水位500年一遇為2106，設(shè)計(jì)洪水位為2088，正常蓄水位為2010，死水位為1830。豐樂水庫大壩為變圓心變半徑的等厚拱混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2110，壩底最低高程1570，最大壩高540；壩頂厚25，壩底厚125，厚高比023；壩頂弧長21615，壩頂弦長1682，弧高比40，弦高比31。大壩沿拱壩軸線分為16個壩塊，各壩塊寬約12。拱壩的構(gòu)造尺寸見表1。壩頂設(shè)有開敞式自由挑流溢洪道，溢流壩段弧長561，堰頂高程2040，最大泄量20603s。大壩于1973年1月開場混凝土澆筑

3、，1976年6月完成大壩混凝土施工，1978年3月大壩橫縫重復(fù)灌漿完畢，至此，拱壩已形成整體構(gòu)造，具備蓄水運(yùn)用條件。但因庫內(nèi)公路改線工程未能按期完成，為維持屯溪市至黃山的公路交通，壩內(nèi)放水底孔一直敞開，水庫遲遲不能蓄水。1978年夏季，該地區(qū)出現(xiàn)百年不遇的長期高溫干旱氣候，水庫同時(shí)處于空庫狀態(tài)，致使壩體長期處于空庫自重溫升荷載組合下運(yùn)行。1978年冬季在左、右岸下游壩面分別出現(xiàn)9條和3條裂縫，后于1986年進(jìn)展了裂縫灌漿處理。大壩裂縫分布見圖1。圖中裂縫編號120系19791986年間年出現(xiàn)的，其中有12條裂縫即為1978年冬季在下游壩面產(chǎn)生的左岸9條、右岸3條；圖中未編號的裂縫是198620

4、01年間開展的裂縫。2壩身裂縫及其開展211986年灌漿前下游壩面裂縫狀況由于1978年夏季高溫干旱，大壩處于空庫狀態(tài)，而拱壩較薄，拱圈曲率又較大，溫度荷載引起拱壩向上游變位，在下游壩面拱座附近產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。1978年5月7日到8月26日，在大壩左岸下游2號壩塊195高程至6號壩塊165高程發(fā)現(xiàn)裂縫，裂縫根本上平行于岸坡方向，總長度達(dá)80左右，縫寬達(dá)10；右岸12號壩塊175高程至14號壩塊1763高程裂縫沿175高程程度建筑縫延伸2935長。1979年初用環(huán)氧樹脂封堵裂縫，當(dāng)年10月發(fā)現(xiàn)裂縫繼續(xù)張開并向兩端延伸。1979年12月，南京水利科學(xué)研究所用超聲波對大壩左岸下游拱座附近184高程裂

5、縫進(jìn)展探測，裂縫深度大于23，該處壩厚69。由于大壩裂縫未能及時(shí)修補(bǔ)，1979年水庫蓄水后至1986年9月，大壩裂縫已開展到20條，總長度達(dá)2608，在裂縫和橫縫相交處，壩面潮濕、滲水，高水位時(shí)部分裂縫有噴射水霧現(xiàn)象。1986年冬季用改性環(huán)氧樹脂進(jìn)展灌漿，共灌了19條裂縫，共計(jì)灌入改性環(huán)氧樹脂漿液3312L，灌后縫面不再滲漏，通過超聲波檢測，大多數(shù)裂縫的波幅都有很大程度的進(jìn)步，有的已接近無縫混凝土的波幅。22壩身裂縫的開展裂縫灌漿后，大壩運(yùn)行一直比擬正常。從1986年至1994年的觀測資料看，左岸壩后裂縫寬度有增大的趨勢，但沒有發(fā)現(xiàn)新的裂縫，已灌漿的裂縫也沒有被拉開。1996年以后，下游壩面陸

6、續(xù)發(fā)現(xiàn)新的裂縫，下游壩面漏水點(diǎn)增多，至2001年底共發(fā)現(xiàn)有40多處漏水點(diǎn)，并拌有白色的氫氧化鈣析出，部分裂縫和橫縫穿插處漏水，且滲水縫段較長，出現(xiàn)新的裂縫。2001年12月14日檢查發(fā)現(xiàn)，6號、8號、10號、11號壩塊出現(xiàn)程度裂縫或斜裂縫共6條，總長度281。23壩身裂縫的性狀通過1979年和1986年分別由南京水科所和蚌埠水科所用超聲波對裂縫進(jìn)展檢測，裂縫最大深度分別為23和214，縫寬不大于10，2002年初由淮河流域水工程質(zhì)量檢測中心對新、老裂縫進(jìn)展檢測，裂縫寬度為005045。從幾次裂縫檢測結(jié)果看，豐樂拱壩下游面裂縫均為外表裂縫。3裂縫原因分析311978年大壩裂縫分析311拱壩體型對

7、大壩變形的影響豐樂拱壩是等厚圓弧拱，拱壩中心角較大，以196高程拱圈為例，該層拱圈厚61，拱圈中心半徑8675，中心角126。如按目前的扁平拱壩布置，一樣壩高處中心角約80，拱圈中心半徑12025?？梢姡诠叭穸纫粯?、跨度一樣時(shí)，豐樂拱壩拱圈弧長比一般扁平拱壩多2287，在拱圈受到一樣溫升荷載的作用時(shí)，豐樂拱壩拱圈向上游膨脹比一般扁平拱壩要大的多，而豐樂拱壩有六分之五的壩高段的中心角都大于120，拱圈膨脹使下游壩面拱座附近產(chǎn)生的拉應(yīng)力相當(dāng)大。同時(shí)，豐樂拱壩是圓弧拱且中心角較大，造成左、右岸坡梁向上游倒懸度到達(dá)1033，在拱壩自重荷載作用下，左、右岸坡下游將產(chǎn)生0708Pa的拉應(yīng)力，并使拱壩產(chǎn)

8、生向上游的變位。312下游壩面溫度變化對拱壩應(yīng)力的影響豐樂河水在壩址附近由北向南流，拱壩中心線走向?yàn)镹E1825，下游壩面朝南，在夏季高溫期間，陽光直射下游壩面。在空庫期間，上游壩面一直處在陽光照射不到的壩陰下，由于山區(qū)晝夜溫差較大，因此上游壩面溫度比下游壩面低得多；而兩岸坡梁又向上游倒懸，下游壩面接收陽光的熱量更多，上、下游壩面溫差更大。下游壩面溫度高于上游壩面，使岸坡梁向上游變形，在自重和溫升荷載作用下，用多拱梁法計(jì)算下游壩面的最大拉應(yīng)力為356Pa，該計(jì)算結(jié)果還未考慮拱壩朝向和實(shí)際日照溫差的影響。綜上所述，豐樂拱壩受體型及方位的制約，在空庫溫升條件下運(yùn)行必然會產(chǎn)生裂縫。實(shí)際運(yùn)行情況是，1

9、978年8月26日在左、右岸坡發(fā)現(xiàn)的裂縫，即由上述原因所造成。因受上部拱圈的約束作用，岸坡梁向上游的變形受到限制，所以受拉裂縫沒有向壩的深部延伸。32后期裂縫開展成因豐樂拱壩由15條橫縫將大壩分成16個壩塊，每個壩塊的下游面寬度都小于12。橫縫雖然經(jīng)過接縫灌漿，但其承受拉應(yīng)力的才能仍然低于壩身混凝土。從1986年以后壩下游面出現(xiàn)的36條豎向裂縫看，6號壩塊和4號壩塊中部都各有一條長12和8的長縫，其余34條豎縫長15，縫寬005045，縫深均小于20，以上裂縫大多發(fā)生在河床至左岸壩塊。從裂縫分布和橫縫位置看，因較大的拱圈拉應(yīng)力可以通過橫縫釋放，故兩橫縫之間的壩體混凝土不致被拉裂。豐樂拱壩下游面

10、朝南，拱冠附近壩體向下游倒懸，兩岸是拱座山脊，盛夏高溫期，下午2時(shí)至3時(shí)，壩下游好似大烤箱，行人不能停留，下游壩面溫度可達(dá)5560。壩體內(nèi)10深處的混凝土溫度達(dá)346，壩面附近的混凝土溫度可能到達(dá)40以上，而夜晚山谷的溫度可很快降低到30以下，壩面下的混凝土溫度那么下降較慢，內(nèi)、外溫差可達(dá)20以上，由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力，可將壩面混凝土拉裂。由于拱壩中心線為NE1825，左岸下游壩面日照時(shí)間較長，右岸山脊較高，下午四點(diǎn)鐘以后，右岸壩下即照不到陽光，因此左岸下游壩面溫度應(yīng)力較大，大壩實(shí)際運(yùn)行也是在左岸壩下出現(xiàn)較多的豎向裂縫。由上可知，下游壩面后期出現(xiàn)的裂縫多是由壩面的非線性溫差引起的外表裂縫。4日照對

11、壩面溫度的影響?混凝土拱壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?SD14585在關(guān)于邊界溫度確實(shí)定中規(guī)定：下游外表年平均溫度等于年平均氣溫加日照影響，下游外表溫度年變幅等于氣溫年變幅加日照影響約12。標(biāo)準(zhǔn)中對下游壩面溫度的計(jì)算，不管下游壩面是朝南還是向北，日照影響都定為12，對下游壩面朝北的拱壩可能差異不大，但對于下游壩面朝南的拱壩，其日照影響決不是12。豐樂拱壩處的年平均氣溫為164，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)算下游外表溫度年變幅為184，按以上溫度荷載，用多拱梁法程序計(jì)算，左岸坡梁的拉應(yīng)力為356Pa；而實(shí)測的下游壩面內(nèi)10處混凝土的溫度達(dá)346，靠近壩面處混凝土溫度會更高，因此豐樂拱壩實(shí)際承受的溫度荷載應(yīng)比計(jì)算值要大得多，這也是

12、豐樂拱壩前期產(chǎn)生裂縫的重要原因之一。5預(yù)防壩面溫度裂縫的措施在拱壩設(shè)計(jì)中，可能會遇到下游壩面朝南的中小型薄拱壩，有類似豐樂拱壩這樣的問題，如處理不好顯然將會在下游壩面出現(xiàn)較多的溫度裂縫。這些裂縫雖然不深，但對薄拱壩來說，裂縫切斷拱圈的深度占拱厚的比例較大，必然會引起拱圈應(yīng)力的再分配，也可能在縫端產(chǎn)生應(yīng)力集中，對拱壩平安造成不利，因此防止壩面出現(xiàn)溫度裂縫的問題不可輕視。從豐樂拱壩實(shí)測溫度資料及分析可以看出，夏季日照對壩面溫度的影響不可無視。較好的解決方法是在下游壩面貼上保溫層，使每天日照高溫來不及傳到壩面混凝土就到了晚上的降溫時(shí)間。中國水利水電科學(xué)院研究的發(fā)泡聚胺脂保溫層是較好的保溫材料，聚胺脂

13、和混凝土壩面的黏結(jié)力為01Pa，56厚的發(fā)泡聚胺脂可相當(dāng)于40厚的混凝土的保溫效果，足以阻止日曬高溫傳至下游壩面，從而使下游壩面溫度能長期保持在夏季的平均溫度。此外，保溫層對冬季氣溫驟降也有很好的防護(hù)作用。6結(jié)語經(jīng)以上對豐樂拱壩壩面裂縫的分析可知，其1978年發(fā)生的裂縫是1978年夏季高溫空庫自重荷載組合引起的，而后期發(fā)生的壩面裂縫中的少部分程度縫是由于拱壩應(yīng)力重分配引起的，大量的裂縫是線性溫差和外表非線性溫差引起的淺層短小細(xì)縫。豐樂拱壩特有的體型及方位布置進(jìn)一步促使了上述裂縫的產(chǎn)生，應(yīng)引起足夠的重視。針對豐樂拱壩運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，可說明以下兩點(diǎn)：1等曲率、等厚、大中心角的拱壩設(shè)計(jì)有一定的局限性，過大的中心角