白龍潭水庫大壩混凝土面板裂縫調查及成因分析

林 玲，周海嘯，翁曉霄，霍吉祥

(1.溫嶺市農業農村和水利局，浙江 溫嶺 317500；2.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程國家重點實驗室，江蘇 南京 210029)

1 工程概況

白龍潭水庫位于溫嶺市箬橫鎮晉岙村朱家里，金清港一級支流運糧河支流思里溪上，工程任務主要是為箬橫鎮供水。水庫大壩的洪水標準采用30年一遇洪水設計，200年一遇洪水校核。工程總庫容1.595×106m3，屬小(1)型水庫。水庫主要建筑物為攔河壩、泄水建筑物、輸水建筑物，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級。

大壩為細骨料混凝土砌塊石重力壩，壩頂高程102.00m，最大壩高30.0m，壩頂寬4.0m，長度128.26m。壩體上游面高程85.00m以上為直立面，高程85.00m以下坡度為1∶0.2。上游面設置C25W6F100混凝土防滲面板，在高程85.00m以上厚1.0m，以下漸變為3.16m；壩基設C15基礎混凝土墊層，厚1.5m；其余部位均為C15細骨料混凝土砌石。施工過程中砌石壩體先于防滲面板施工，防滲面板的澆筑略低于壩體面。面板隨壩體砌石施工而組織施工，每個壩段的面板分層平衡上升，每層澆筑高度控制在3.5m左右。

大壩混凝土面板澆筑于2015年12月完成，由于多種原因一直空庫運行，后于巡查過程中發現各壩段不同高程處上游面板存在較多裂縫，可能對工程安全產生不良影響。因此，對面板裂縫分布特征進行檢測和統計，分析其產生的主要原因，對于之后針對性補強保障大壩蓄水安全具有重要意義[1-3]。

2 裂縫分布普查

白龍潭水庫上游混凝土面板自壩頂至壩底可分為9層，其對應高程如下所示：①一層：高程103.20～101.050m；②二層：高程101.05～97.50m；③三層：高程97.50～95.00m；④四層：高程95.00～92.50m；⑤五層：高程92.50～90.00m；⑥六層：高程90.00～87.50m；⑦七層：高程87.50～85.00m；⑧八層：高程85.00～80.00m；⑨九層：高程80.00～75.00m。

對查明的裂縫分布按照壩段、層高等分別進行統計，從而更加明確裂縫總體分布情況。

2.1 按壩段統計

首先，統計不同壩段的裂縫條數，結果見表1。

表1 不同壩段裂縫條數及百分比

由表1可以看出：

(1)5#壩段裂縫最多，共計49條，占總數的17.19%左右；8#壩段、3#壩段和6#壩段次之，分別有裂縫33條、32條和32條，占總數的11.58%、11.23%和11.23%。

(2)按每個壩段每層的平均分布來看，10#壩段和5#壩段分布較為密集，這兩個壩段每層分布條數占總數的1.96%和1.91%左右；2#和3#壩段次之，分別占總數的1.84%和1.87%；而7#壩段單層分布裂縫相對較少，每層占總數的1.09%左右。

2.2 按不同高程層高統計

由于自壩頂至壩底對上游混凝土面板按不同高程分為9層，通過不同高程裂縫分布情況的統計分析，結果見表2。

表2 不同高程裂縫條數及百分比

由表2可以看出：

(1)第2層(高程101.05～97.50m)位置處分布有裂縫數量相對較多，共計62條，占總數的21.75%；第3層、第4層和第5層次之，分別分布有裂縫43條、41條和39條，分別占總數的15.09%、14.39%和13.68%。

(2)第8層和第9層雖然僅存在于河床部位的5#、6#、7#和8#壩段，但這兩層的裂縫分布仍相對較為密集，分別有18條和19條裂縫，占總數的6.32%和7.37%。

2.3 按裂縫長度統計

對普查獲得的裂縫長度進行統計分析，結果如圖1所示。

圖1 裂縫長度頻數統計

由圖1可以看出：

(1)在共測量的284條裂縫中，除編號7-2-1的裂縫長度未測量外，其余283條裂縫平均長度達到了1.67m。

(2)長度介于2.4～2.6m的裂縫分布最為廣泛，其次是0.8～1.0m和1.0～1.2m左右的。

(3)編號為5-1-2的裂縫最長，長度達到了3.15m，位于5#壩段頂部的該裂縫裂至防浪墻頂部。

2.4 按裂縫寬度

本次普查中對裂縫寬度進行了半定量測量，主要分為兩個區間：①大于0.2mm；②小于0.2mm。對285條裂縫寬度進行統計，其中縫寬小于0.2mm的共計211條，占總數的74%，而縫寬大于0.2mm的共計74條，占26%左右。

一般多通過大壩示意圖的形式反映面板裂縫的分布情況，但該方法更側重于展示裂隙的形態及分布位置，缺少對分布密度的直觀展示[4-5]。為更直觀地比較不同壩段、高程的裂縫分布的密度情況，可通過裂縫分布熱力圖進行反映，所有裂縫、縫寬大于0.2mm以及縫寬小于0.2mm的裂縫分布熱力圖分別如圖2所示。

圖2 裂隙分布熱力圖

由圖2可以看出：

(1)總體來看，裂縫在5#壩段的第9層以及2#、3#和10#壩段的第2層分布較為密集，分別有10條、11條、10條和9條。

(2)對于縫寬小于0.2mm的裂縫，分布情況與總體類似，在5#壩段底部的第9層以及2#、3#和10#壩段的第2層分布較為密集，說明這些部位雖然裂縫分布相對較多，但主要以縫寬相對較小的裂縫為主。

(3)對于裂縫縫寬大于0.2mm的裂縫，主要集中在8#壩段頂部的第1層，在該部位存在6條縫寬大于0.2mm的裂縫，此外，在2#、3#壩段的第2層也有較多縫寬較大的裂縫存在，分別有4條和3條。

3 裂縫寬度與深度檢測

對裂縫出現較多的河床部位的5#、6#、7#和8#等4個壩段裂縫的寬度和深度進行檢測，現場共檢測5#—8#四個壩段共34條裂縫，其中個別長度較長或縫寬較寬的裂縫分上、中、下三部分或上、下兩部分檢測，共計檢測49處，檢測統計結果如圖3所示，見表3。

圖3 裂縫寬度及深度頻數圖

表3 裂縫檢測寬度和深度特征值統計

由圖3和表3可以看出：

(1)本次裂縫檢測結果中，寬度最大為1.105mm，位于編號8-9-3處；最小為0.028mm，位于編號8-3-4裂縫的上部，寬度均值為0.384mm，標準差為0.224mm。河床部位5#～8#壩段檢測獲得的裂縫寬度主要集中于0.2～0.4mm這一區間范圍內，共有22處，約為總數的44.90%，其次為0.4～0.6mm這一區間內，共有11處，占總數的22.49%，再者為0～0.2mm區間內，共有9處，占總量的18.37%；總體來看，檢測寬度大于普查階段的值，這主要是由于裂縫表層存在風化脫落現象，而使得測量值相對實際偏大的緣故。

(2)檢測深度主要位于0～20mm處，共有17處，占總數的34.69%，然后為20～40mm區間內，共有16處，占總數的32.65%。本次測量獲得的裂縫平均深度為38.510mm，標準差為33.496mm。檢測獲得的裂縫最大深度為159mm，位于編號6-2-1裂縫的上部，同時該裂縫中部和下部的深度也達到了155mm和87mm，是本次檢測中唯一測量深度超過100mm的裂縫(超過鋼筋保護層厚度100mm)；此外，編號5-2-2的裂縫深度也大于90mm，而編號5-6-2、編號5-9-6和編號5-9-10的裂縫深度也大于60mm。

為研究典型裂縫深度與寬度之間的關系，作相關散點圖見圖4。

圖4 檢測裂縫深度與寬度關系

可以看出，檢測獲得的裂縫深度與寬度之間無明顯的相關關系，通過計算也可獲得兩者間相關系數僅為0.22，相關性不顯著。

4 裂縫成因分析

4.1 裂縫分類

根據裂縫成因，大壩混凝土面板裂縫可分為非結構縫和結構縫兩種，其中前者又包括溫度裂縫(晝夜溫差或者季節性溫差引起)和干縮裂縫。其中，非結構裂縫主要是由于溫差變化較大，溫度控制措施不到位，氣候干燥，混凝土養護措施與表面止水施工、保濕養護無法達到二者兼顧，施工期間養護效果達不到要求，加劇了裂縫的發展。結構性裂縫主要是壩體的自重和其它荷載如水壓力、浪壓力作用下產生不均勻沉降或其它方向的位移，引起的變形導致形成的裂縫[6-7]。

根據裂縫發展寬度和深度劃分表面裂縫和深層及貫穿裂縫。其中前者是由于混凝土面板表層溫度應力超過混凝土的允許抗拉強度時，產生開裂形成的，深度一般不超過3mm，方向不定，數量較多，其主要為溫度裂縫；深層及貫穿裂縫主要是由于沉降變形或荷載作用下產生不均勻性沉降導致的。貫穿裂縫是由表面裂縫發展為深層裂縫，最終形成貫穿裂縫，它切斷了結構面，可能破壞結構的整體性和穩定性，一般寬度可達1～3mm，其危害程度較大。因此，面板裂縫劃分為：①Ⅰ類裂縫(淺層裂縫)：縫寬δ≤0.2mm且不貫穿；②Ⅱ類裂縫：縫寬0.2mm<δ≤0.5mm，裂縫且不貫穿，或縫寬δ≤0.2mm且為貫穿縫；③Ⅲ類裂縫：縫寬δ≥0.5mm的裂縫，或縫寬δ≥0.2mm且為貫穿縫[8]。

4.2 白龍潭大壩面板裂縫分類

白龍潭水庫上游面鋼筋混凝土防滲面板在高程85.00m以上厚為1.0m，以下漸變為3.16m，而本次檢測最大深度為159mm(編號6-2-1)，未形成貫穿縫，因此，白龍潭水庫上游面板裂縫大部分屬于Ⅰ類裂縫即淺層裂縫，少量屬于Ⅱ類裂縫，即縫寬>0.2mm但不貫穿。以深度50mm和100mm為界，則Ⅰ類縫中≤50mm的占80.77%，50～100mm之間占19.23%，無>100mm的；Ⅱ類縫≤50mm的占87.5%，無50～100mm之間，>100mm的有1條，占總數的12.5%。

溫度裂縫一般表現為細、短和淺，而結構裂縫則相對粗、長、深，且裂縫寬度一般大于0.2mm。對比白龍潭水庫上游面板裂縫的測量結果，可以看出符合溫度裂縫的特征，因此可以判斷其主要是由于溫度造成的非結構縫。

4.3 裂縫成因分析

白龍潭水庫大壩上游混凝土面板裂縫主要表現出細、短和淺等特點，因而可認為主要是由溫度引起的，一般認為溫度影響可能主要來自以下兩個方面：①施工過程中溫控不當；②面板建成后養護不當。白龍潭水庫上游面板混凝土從材料選取到施工養護過程中，皆考慮到了溫控的影響并采取了相關措施，工程驗收鑒定中未發現質量事故及缺陷。因此，上游面板裂縫由于施工過程中引起的可能性較小。而水庫在混凝土面板澆筑并按要求保養后，由于各類原因水庫長期未蓄水，而且未采用有效措施進行保溫養護。

白龍潭水庫大壩面板分部工程于2015年12月完工，統計完工后溫嶺的氣溫變化情況，2016年1月1日—2018年6月30日溫嶺地區日最高氣溫和夜間最低氣溫如圖5所示。

圖5 溫嶺市白天最高氣溫和夜間最低氣溫變化趨勢

由圖5可以看出，總體上白天最高氣溫和夜間最低氣溫變化較為一致，即冬季氣溫較低而夏季氣溫較高。但不同時刻下晝夜溫差的差別較大，具體如圖6所示。

圖6 溫嶺市晝夜溫差柱狀圖

由圖6可以看出，在白龍潭水庫竣工后一段時期，溫嶺市晝夜溫差變化較大，以10℃為限(圖中紅色水平線)，2016年1月1日—2018年6月30日這912d內，共有78d晝夜溫差超過10℃，占總天數的8.55%以上。這種突然降溫，極易產生溫度裂縫，加之沿海地區氣候變化大，高溫與暴雨等氣候循環交替，養護不及時，產生溫度裂縫。

綜上，從2015年12月完工至今經歷了3個低溫和2個高溫空庫運行，而在此期間面板未采取保溫等養護措施，而面板作為薄體結構極易受外界溫差的影響產生裂縫。因此，初步判斷裂縫產生的主要原因為完工后空庫運行而未采用有效保濕保溫措施造成的。

5 結論

通過對浙江省溫嶺市白龍潭水庫鋼筋混凝土面板裂縫普查、典型裂縫分布特征的檢測和統計，對其產生的主要原因進行了分析，主要結論如下。

(1)上游面板目前共存在285條裂縫，其中5#壩段的第9層以及2#、3#和10#壩段的第2層裂縫分布較為密集；

(2)河床部位5#—8#壩段的裂縫寬度均值為0.384mm，最寬為1.105mm；平均深度為38.510mm，裂縫深度最大為159mm，編號為6-2-1，也是本次檢測中唯一測量深度超過鋼筋保護層厚度(100mm)的裂縫。

(3)面板裂縫主要為表面裂縫，未形成貫穿性裂縫，且大部分屬于縫寬≤0.2mm的Ⅰ類淺層裂縫，另有部分屬于縫寬>0.2mm但未貫穿的Ⅱ類裂縫，無貫穿的Ⅲ類裂縫；同時，裂縫特征主要表現為細、短和淺等特點，因此裂縫主要是由于溫度引起的非結構性裂縫。綜合施工資料、近3年空庫運行期間當地溫度變化及養護情況，綜合判斷面板裂縫主要是由于大壩空庫運行，養護不當造成的。

在明確裂縫分布、形態及從成因的基礎上，可根據裂縫類型提出針對性的補強措施，并及時對面板采用保溫和保濕措施，確保大壩安全。