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

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，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。

該拱壩運行十多年來，左中孔閘墩裂縫由微裂縫發展為滲水裂縫。2011 年8 月10 日在進行大壩巡視檢查時發現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滲水情況，并伴有線狀的射水現象。左中孔結構布置見圖1。如何全面掌握中孔裂縫發育形態，了解裂縫及其進一步發展、長期滲水對中孔乃至大壩整體結構的影響，確定裂縫的處理措施，并預防和控制進一步的開裂，徹底解決其安全隱患，成為該拱壩左中孔后期安全運行亟待解決的問題[1］。

圖1 左中孔閘墩結構布置圖

2 裂縫成因分析

2.1 裂縫分布情況

為了真實掌握中孔閘墩裂縫的開展情況，結合現場裂縫的開展情況，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育的深度進行檢測。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。對導墻表面裂縫進行全面排查，共發現11 條裂縫（L1～L11）、結構縫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墻主錨索輻射范圍之內且靠近下游壩面區域，傾角多以陡傾角發育。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

根據東風拱壩左中孔裂縫現狀，基于高拱壩真實工作性態理論，運用三維非線性有限元分析方法、子模型技術、離散裂縫模型開展裂縫成因分析進行分析。拱壩有限元模型見圖3。計算荷載包括考慮結構體自重、上游靜水壓力、主（次）錨索張拉力、弧門推力、單側關門時另一側的過水壓力、單側關門另一側檢修門關閉時檢修門對門槽的壓力、地震時結構體慣性力以及地震時動水壓力等[2］。

圖3 拱壩有限元模型

2.3 裂縫成因分析

根據目前中孔閘墩裂縫研究現狀與成果，結合本工程實際情況，初步確定導致左中孔閘墩出現裂縫的因素主要有預應力錨索錨固力產生次生拉應力、豎井支承不均勻沉降、導墻與壩體結構限制性變形、貫穿性裂縫L1 影響。其中，L1 裂縫的產生原因為“貫穿性裂縫L1 是由于表面內外溫差較大，在多種因素長期作用下形成的裂縫”。

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

隨著豎井支承模量不斷降低，導墻中部區域的主拉應力也逐漸增大，其主拉應力方向與豎直方向呈45°斜交，該方向與該區域裂縫走向基本呈正交。但從應力值來看，豎井支承彈性模量處于設計參數時，最大拉應力值在約1.0 MPa 左右，不至于產生裂縫。因此，豎井支承混凝土強度不均勻不是裂縫產生的主要原因。

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

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

圖4 主拉應力分布云圖（貫穿性裂縫L1 影響）

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

3 裂縫對大壩安全度影響分析

根據調研的部分工程縫面參數取值結果，并結合東風工程左中孔裂縫處理情況，擬定縫面計算參數見表1。

表1 縫面參數取值表

不同裂縫狀態下正常蓄水位+溫降／溫升工況壩體順河向變形進行對比分析見表2。由表中對比分析可知，中孔裂縫經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

根據裂縫開合狀態分布，裂縫L7、L8、L9、L3、L1 處于張開狀態，裂縫L11、L5 處于部分張開狀態。由此可見，右閘墩上各裂縫大部分均處于張開狀態。右閘墩裂縫對右導墻的應力產生重分布，對右閘墩應力分布影響很大，縫端拉應力較大，可能存在裂縫開展的風險。

4 裂縫處理措施研究

針對裂縫處理方案應是一個漸進的過程，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參數為：1）方案1：抗拉強度1.00 MPa，粘聚力1.00 MPa，摩擦系數1.30；2）方案2：抗拉強度1.00 MPa，粘聚力1.00 MPa，摩擦系數0.65；3）方案3：抗拉強度0.75MPa，粘聚力0.75 MPa，摩擦系數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：導墻內部增設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、應力及縫面工作性態情況對比見表3。

表3 不同裂縫處理方案變形、應力及縫面工作性態情況對比表

灌漿方案雖然能增加右導墻整體性，提高變形剛度，但在承受外荷載后，右導墻部分裂縫仍二次張開，但是裂縫未出現擴展，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且適應拱壩限制性變形能力增大，因此粘鋼加固方案下右導墻應力狀態得到明顯改善，但右導墻L1 裂縫仍二次張開，考慮到粘鋼方案的的可實施性較差，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，又去除了導墻所承受的弧門推力荷載，大大改善了右導墻受力狀態，但采用封堵方案改變了工程的結構和泄洪能力，需對大壩泄洪調節能力、水庫運行調度、壩頂高程及壩體應力穩定等的影響進行分析，并報相關審查單位審查批準，實施難度較大。

5 結語

基于高拱壩真實工作性態理論，運用三維非線性有限元分析方法、子模型技術、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。研究結果表明，中孔閘墩裂縫的產生受多因素影響，裂縫處理后對大壩整體安全不影響，中孔閘墩局部結構在荷載作用下，部分裂縫處于張開狀態，可采用灌漿封閉的加固處理方案。