公伯峽水電站面板堆石壩水位變動區面板裂縫成因分析

陳念水

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

1 工程概況

黃河公伯峽水電站位于青海省循化縣與化隆縣交界處的黃河干流上，是黃河上游龍-青河段規劃的第4個大型梯級電站，為Ⅰ等大(1)型工程，樞紐工程主要由河床鋼筋混凝土面板堆石壩、右岸引水發電系統(含引渠、壩式進水口、壓力鋼管、岸邊地面廠房及330 kV開關站)、左岸泄洪洞、左岸溢洪道(含左副壩)、右岸流泄洪洞、左右岸灌溉取水口以及右副壩和右岸混凝土面板防滲系統等組成。

水庫正常蓄水位2 005.00 m，校核洪水位2 008.28 m，總庫容6.2億m3，死水位2 002.00 m，極限死水位1 995.00 m，為日調節水庫。電站裝機容量1 500 MW，保證出力492 MW，年發電量51.4億kWh。設計洪水采用500年一遇，其洪峰流量為5 440 m3/s；校核洪水采用10 000年一遇，其洪峰流量為7 860 m3/s；保壩采用可能最大(PMF)洪峰流量為8 260 m3/s。

2 大壩材料分區及填筑情況

大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂長度429.00 m，壩頂寬度10.0 m，最大壩高132.20 m，上游坡1∶1.4，下游坡1∶1.3～1∶1.5。壩頂設有高度為5.80 m的“L”墻與面板相接，壩頂高程2 010.00 m。大壩填筑總量為467萬m3。由于河谷狹窄，面板堆石壩與右壩頭電站進水口銜接處以及與左壩頭溢洪道銜接處分別設有38.00 m和50.00 m的高趾墻與大壩面板相連接。壩體填筑分墊層、過渡料、主堆石(塊石及砂礫石)、次堆石等區。由于壩址區地質條件復雜，主體工程開挖后發現巖性變化大且規律性差，為了最大限度地利用樞紐工程開挖料，在主堆石區增設一強透水區，即將主堆石區3BⅠ分為3BⅠ-1和3BⅠ-2兩個區，其中3BⅠ-1區具有自由排水的性質。面板為不等厚，厚度0.3～0.7 m，寬度為12 m，共分為38塊。面板間設垂直縫，面板與趾板和高趾墻間設周邊縫，壩頂防浪墻與面板間設水平縫，與兩岸混凝土高趾墻間設伸縮縫。面板采用單層雙向配筋，橫向(平行于壩軸線方向)配筋為Φ16～Φ22@20 cm；縱向(垂直于壩軸線方向)配筋為Φ16～Φ28@20 cm，面板每向配筋率為0.3%～0.4%。面板混凝土設計采用525號普通硅酸鹽水泥，為C25W12F200二級配混凝土。大壩典型橫斷面布置見圖1。

圖1 公伯峽水電站大壩填筑分區圖 單位：高程，m；其它，mm

大壩2002年7月30日開始填筑，至2003年10月22日填筑至壩頂高程2 005.50 m，并預填筑0.30 m至2 005.80 m以備在面板混凝土施工前壩體沉降。面板混凝土施工2004年4月開始至2004年8月完工。

3 面板裂縫概況

在施工完成至水庫下閘蓄水前對混凝土面板進行了多次裂縫檢查，對檢查發現的橫向裂縫進行了處理。但在2006年1月16日進行單位工程驗收時發現大壩混凝土面板在高程2 003.80～2 005.50 m(水位變動區)部分混凝土面板出現不同程度縱向裂縫，且兩岸面板分布相對較多。2006年10月28日至11月16日，對水面以上(2 002.50～2 005.00 m高程)的面板裂縫進行了處理，處理方法采用SK抗滲防碳化涂膜對混凝土表面進行涂層。

2011年6月，電站管理方委托中國水利水電科學研究院對面板進行了裂縫檢查，發現36塊面板產生裂縫，絕大部分裂縫均在水位2 002.00 m高程以上，有部分伸入2 002.00 m高程水位線以下；騎縫鉆芯結果表明，面板混凝土裂縫相對較深；延伸到2 002.00 m高程水位線以下的裂縫，垂直于面板方向的開裂深度在11～25 cm，裂縫表面寬、下部窄。從2011—2013年近2 a的觀測資料看，裂縫有不斷增多和發展的趨勢。裂縫分布為靠右岸1～2號面板裂縫較少，3～7號面板裂縫3～5條，8～17號面板裂縫很少，從18號面板開始靠近左岸產生的面板裂縫較多，并且裂縫逐年增加，除20號面板上為橫向縫，其余面板均為縱向裂縫，并延伸至2 002.00 m高程水面以下。面板的裂縫具有一定規律性：庫水位2 002.00 m高程以上面板較多，延伸入2 002.00 m高程水面以下很少；面板左右岸部位裂縫較多，且左岸部位比右岸部位偏多，中間部位較少；面板裂縫逐年在增加，且冬季產生的面板裂縫遠遠大于夏季；面板產生裂縫的部位沿壩軸線方向對稱分布或位于壩軸線方向面板的中間部位。根據對堆石壩面板延伸至2 001.59 m以下的6條面板裂縫水下檢查的結果，裂縫最低延伸到1 996.50 m高程。水位變動區裂縫分布見圖2。

4 面板裂縫成因分析

4.1 大壩安全監測情況

根據面板堆石壩內埋設的觀測儀器搜集的資料進行了分析，成果如下。

(1) 混凝土應力

根據實測數據，通過變形法計算得到混凝土應力表明：面板基本處于受壓狀態，順坡向最大壓應力為11.4 MPa，出現在14號面板樁號左0+159.50 m、高程1 938.00 m處；拉應力區分布在面板上部即高程1 985.00 m以上，最大拉應力為4.39 MPa, 出現在5號面板樁號左0+052.50 m、高程1 991.50 m處。水平向大壓應力分布在面板的中下部即壩左0+70.50 m～壩左0+165.50 m(7～15號面板)、高程1 930.00～2 000.00 m范圍，最大壓應力為7.12 MPa，出現在10號面板樁號左0+111.50 m、高程1 974.00 m處；拉應力區分布在面板上部靠左右岸區域，即高程1 985.00 m以上、樁號0+280.00 m以右及0+060.00 m以左，最大拉應力為2.52 MPa, 出現在5號面板樁號左0+052.50 m、高程1 991.50 m處。

圖2 水位變動區裂縫分布見圖

(2) 垂直縫

面板1 988.30 m高程中間受擠壓，兩側受拉；1 970.50、1 952.70 m高程左側受拉，中間和右側受壓；1 881.60～1 935.00 m高程垂直分縫均處于受壓狀態。各垂直分縫測點最大張開位移為4.30 mm，分縫開度變化主要發生在蓄水初期，之后趨于穩定。1 935.00 m高程以下沉降量較為明顯，且隨著深度的增加，沉降量增大；1 952.70 m高程以上沉降量較小或處于微抬狀態。各垂直分縫測點豎向剪切量在下沉24.83 mm上抬2.58 mm之間，分縫豎向剪切變化主要發生在蓄水初期，之后趨于穩定。

(3) 周邊縫

周邊縫最大張開量、平面剪切量、下沉量分別為54.57、25.17、76.07 mm。周邊縫變形主要發生在蓄水初期，之后變形趨緩，目前除右岸高趾墻處測點外，其余測點變形已基本穩定。右岸周邊縫變形較大，大多超過設計標準(周邊縫開合度、平面剪切、豎向剪切設計值分別為20、40、40 mm)，且目前尚未完全穩定。

(4) 壩體沉降、順河向水平位移

壩體沉降主要發生在施工期及蓄水初期。2005年以后，壩體沉降多緩慢增大趨勢， 2011年后大壩沉降量趨于平緩，但尚未完全穩定。截止2011年12月，大壩內部最大沉降為53.2 cm，其與壩高之比為0.40%。

壩體順河向水平位移主要發生在水庫蓄水初期，進入運行期后變化趨緩，從水庫開始蓄水(2004年8月8日)至2011年12月13日，壩體順河向水平位移累計向下游位移最大為172.42 mm，出現在壩左0+130.00 m斷面、1 950.00 m高程上游側。內部水平位移分布一般是左岸大于右岸；高高程大于低高程；同一斷面，由于上游側承受水荷載作用，下游側受堆石體流變影響，故普遍表現為下游區和上游區位移較大，中部較小。

運行8 a后(到2012年)，觀測表明面板最大撓度達到26.7 cm。

4.2 計算分析

面板產生裂縫的原因一般可分為結構性裂縫和非結構性裂縫。結構性裂縫主要是面板在外力作用下產生的裂縫，如壩體變形或水壓力作用等；非結構裂縫最普遍是由混凝土干縮和溫度應力產生的裂縫。根據大壩實測的變形數據，應用反演參數對壩體進行三維有限元結構計算，以及公伯峽現場觀測資料及經驗進行溫度場模擬，對面板溫度應力進行有限元計算，并綜合考慮溫度應力與結構應力的計算結果，以研究面板裂縫的產生原因。

(1) 面板結構應力變形及其對裂縫的影響

應用反演計算參數對壩體進行三維有限元結構計算的成果表明，蓄水期面板沿垂直面板法向最大撓度為20 cm(上游面)；周邊縫最大張開11.8 mm(底部偏左)，最大平面剪切位移6.4 mm(右岸)，最大豎向剪切位移12.9 mm。從沿面板壩軸線方向的應力分布規律來看，蓄水期由于兩岸壩體向河谷中間的變形，從而帶動河床中間段面板向溝谷中間的擠壓變形，表現為壓應力，并向兩側逐漸減小；而在壩體向河谷拖拽過程中，兩岸山體對面板產生約束作用，所以兩岸段面板表現為拉應力。在蓄水期，面板壩軸向壓應力發生在主壩最深處面板靠近河谷段，上、下游側最大值分別為8.4 MPa和7.7 MPa(10號面板的中部附近)；經過8 a的蓄水運行，壩體不斷向河谷中間變形，河谷段面板壓應力略有增大，上、下游側面板最大值分別為8.7 MPa和7.7 MPa。在兩岸山體對面板的拉拽作用下，壩頂部面板原本沒有發生壩軸向應力的地方產生了2 MPa左右的拉應力，主要位于蓄水位之上壩頂部右岸靠近山體的面板，局部最大拉應力達到了6 MPa。超過面板抗拉強度而產生裂縫。

面板順坡向最大壓應力發生在主壩河床最深處面板的中部附近(10號面板的中部附近)，上、下游側順坡向應力最大為3.6 MPa。同時計算發現，面板頂部產生一定脫空，河床部位面板頂部最大脫空達20 mm，因此堆石體流變對面板產生較小摩擦力應力。

結構計算還表明，右岸基礎較陡，面板軸向拉應力大，最大軸向拉應力出現在右端面板頂部；而左半部面板大部分處于受拉狀態，范圍較右部大，故產生裂縫多。

(2) 溫度應力對面板裂縫產生的影響

公伯峽大壩地處氣候條件惡劣的西北地區，溫度應力對面板裂縫產生的影響大。計算表明,在施工期春季澆筑面板，考慮晝夜溫差(14.2 ℃)，面板表面拉應力最大值達1.0 MPa，略超初期混凝土抗拉強度，可能引起面板表面細微裂縫。蓄水初期，庫水位達到2 005.00 m時引起溫降，對庫水位附近影響較大，拉應力最大增幅0.7 MPa，在施工期及蓄水初期階段，面板積累了1.0～1.5 MPa的施工期和蓄水期應力。

在運行階段冬春期(4、5月居多)遇寒潮，考慮“寒潮+晝夜溫差”，在水位以上面板頂部表面至1/4厚拉應力可達2.4～2.3 MPa，超過抗拉強度(2.3 MPa)，產生表面裂縫，對于水位以下部分受寒潮影響較小，小于混凝土抗拉強度，面板未產生裂縫。在冬季嚴寒低溫氣候條件下，月均最低氣溫達-13.4 ℃，在水位以上，面板表面至1/2厚拉應力可達2.63～2.36 MPa，超過抗拉強度，面板產生裂縫，裂縫深度可達1/2厚處，水位以下面板拉應力均未達到抗拉強度。因此在冬春遇寒潮或嚴寒低溫的冬季，產生的溫度應力，均可使水位以上的面板開裂。而在夏季高溫時，面板所受溫度應力較小，均小于抗拉強度，高溫氣候不會造成面板破壞和裂縫產生。

綜合施工期、蓄水期、運行期整塊面板溫度應力情況，在水位以上面板溫度應力較大，最大值達到2.9 MPa，在2 005.00 m附近溫度應力達到2.8 MPa，對單塊面板溫度應力，基本呈中間大、兩邊小的分布，與裂縫出現在中間相符。

經過對河床中間面板水位敏感性分析表明，長期在2 005.00 m運行水位時，2011年冬夜，水位附近面板溫度應力最大且軸向(水平向)應力比順坡向(垂直向)應力大，分別達到2.48 MPa和1.15 MPa，其比值達2.16∶1，在軸向拉應力占主導情況下易產生縱向裂縫。當蓄水位在 2 000.00、1 990.00、1 950.00 m時，最大拉應力壩軸向和順坡向分量比值分別為2.09∶2.48、2.05∶2.41、1.98∶2.32，3種工況下的最大拉應力都以順坡向(垂直向)拉應力為主，可能將產生水平向裂縫性態破壞形式。由此可見，面板橫縫和縱縫之間的轉變并非隨蓄水位線性變化，當變動水位相對于面板單寬達到某極小值時，裂縫的呈現形態將由橫向突變為縱向。綜上所述，公伯峽極小水位變動區(3 m)使面板遭受溫度最大拉應力基本為軸向(水平向)拉應力，導致面板出現縱向裂縫。

4.3 面板裂縫成因

綜合分析結構應力和溫度應力對面板裂縫的影響，從蓄水初期至今，頂部面板在某次寒潮來襲或者冬季持續低溫的天氣條件下，受到的溫度拉應力超過了抗拉強度，溫度應力最大值為壩軸向且發生在單塊面板中間，所以最先在每塊面板中間位置產生了縱向裂縫；運行多年后，由于壩體土石材料的流變，面板結構應力有所增加。兩岸面板結構拉應力的增加，進一步促進了兩岸面板的裂縫發展，使兩岸面板裂縫的數量增多；而對于中間河床面板，結構應力表現為壓應力，在一定程度上抵消了一部分由溫度驟降和持續低溫造成的溫度拉應力，使中間面板已產生的裂縫不再發展。這符合面板裂縫“兩岸多，中間少”的規律。

綜上所述，溫度應力是導致面板產生裂縫的主要因素，結構應力在流變過程中增加進一步促進了兩側面板裂縫的發展，為推動因素。

5 結 語

公伯峽水電站從2004年8月蓄水至今已安全運行了11 a，水位變動區混凝土面板產生縱向裂縫，主要由于大壩處于嚴寒地區，晝夜溫差較大，白天氣溫高，水面以上的面板受熱膨脹；夜晚，溫度降低，水面以上的面板收縮，但水面以下面板基本處于恒溫狀態，在水面線附近溫度梯度較大，水下面板會限制水上面板的冷縮，同時堆石體的摩擦力也會限制面板的冷縮，當遇寒潮侵襲時，表面混凝土拉應力超過混凝土抗裂能力，導致面板產生縱向裂縫。

為提高混凝土面板運行的耐久性，需對面板裂縫進行處理。為防止面板裂縫進一步產生和發展對2 002.00 m水位以上面板采取必要的保溫措施。

參考文獻:

[1] 陳念水.公伯峽水電站工程樞紐總布置[J].西北水電,2005,(1):26-29.

[2] 黃河公伯峽水電站面板堆石壩安全監測資料分析報告(截至2013年4月)[R].西安：中國水電顧問集團西北勘測設計研究院,2013,7.

[3] 公伯峽水電站面板裂縫成因和危害性分析報告[R].國家電力監管委員會大壩安全監察中心、河海大學，2013,7.