潘家口水库主坝坝段上游面裂缝成因及安全性分析

鲁永华，吕晓腾，吕中维

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

潘家口水利枢纽位于河北省迁西县洒河桥镇以北10 km的滦河干流上，是一座以供水为主、结合发电、兼顾防洪的综合利用大型水利枢纽，主要建筑物有主坝、副坝、混合式抽水蓄能电站及下池闸坝。

主坝为低宽缝重力坝，Ⅰ级建筑物，设计抗震烈度为Ⅷ度。最大坝高107.50 m，坝顶高程230.50 m，坝顶长1 039 m，自左至右共分为56个坝段。其中，23-30#和33-44#坝段为溢流坝段，位于河床中部，共20个坝段，全长363 m。40＃坝段坝高95.5 m（建基面高程135.0 m，坝顶高程230.5 m），坝段宽度18.0 m，宽缝缝腔宽度4.0 m，体型如图1所示。

1 裂缝性状检测

主坝于1975年1月开工，1979年12月下闸蓄水。1992年1月在工程检查时首次发现40#坝段185 m廊道的6个坝体排水管漏水，1992—1998年对漏水情况进行连续监测，发现漏水量呈以下规律：漏水现象基本从每年12月份开始，次年4月份结束，一般为1—2月份漏水量最大；漏水量有逐年增大趋势。

为查明漏水原因，分别于1998—2003年间3次自202 m高程检修廊道钻孔进行压水试验，初步判断40#坝段上游194 m高程有一集中渗水层。在2000年汛前水库水位低于194 m高程时进行裂缝检查，确定坝前194 m高程有一条沿坝轴向贯穿整个坝段的水平裂缝。

2003年7月，对钻孔进行了孔内录像检查，检查结果进一步证实裂缝的存在，裂缝从上游面深入坝体6.5～8.5 m，沿坝轴线向贯穿整个坝段，裂缝位置及深度如图1所示，缝内大部分充填泥质物，裂缝周围的混凝土质量较差。

综上所述，40＃坝段高程194 m上游面存在一贯穿整个坝段的水平裂缝，缝深为6.5～8.5 m，裂缝伸入坝体超过坝体排水管。裂缝为活缝，冬季漏水（冬季张开），夏季不漏水（夏季闭合）。

2 原设计复核

为查明裂缝成因，对原设计坝体进行复核计算，计算采用材料力学法和有限元法两种方法进行。

2.1 材料力学法

根据 《混凝土重力坝设计规范》（SDJ21-1978）及其补充规定，采用材料力学法对40＃坝段194 m高程截面进行抗滑稳定及坝体应力复核。计算考虑以下荷载：坝体及上部永久设备自重、静水压力、浪压力、扬压力、地震荷载。扬压力计算时，坝体排水管处扬压力折减系数取0.2。194 m高程截面坝体抗滑稳定安全系数、坝体应力计算成果见表1。

由表1可知，各工况下194m高程截面抗滑稳定安全系数、坝体应力均满足规范要求，原设计安全。

2.2 有限元法

采用有限元法建立三维有限元模型进行仿真计算，计算中考虑了坝体外部温度周期变化对坝体应力及变位的影响。

2.2.1 计算工况及荷载

对“正常蓄水＋1月温降”及“正常蓄水＋7月温升”2种工况进行计算，计算中考虑了坝体及上部永久设备自重、静水压力、浪压力、扬压力和温度荷载。1月温降荷载指坝体1月准稳定温度场与稳定温度场之差产生的温度荷载；7月温升荷载指坝体7月准稳定温度场与稳定温度场之差产生的温度荷载。

表1 194 m高程抗滑稳定安全系数及坝体应力成果

2.2.2 计算模型

按照坝体实际体型建立三维有限元实体模型，基岩深度取约1倍坝高，垂直水流向（下称Z向）取坝段宽度，顺水流向（下称X向）坝段上下游各取约1倍坝段长度。

2.2.3 计算假定

坝体蓄水运行多年后，坝体温度呈周期性变化。结合大坝、基岩和库水温度安全监测资料对温度场计算边界条件做以下假定：上游坝面温度取相应高程的库水温度；下游坝面的温度取气温加上太阳辐射温升；宽缝内温度根据观测资料给定；建基面15m以下基础温度不随水温、气温变化而变化，取恒值（观测均值）。

2.2.4 坝体稳定温度场

由于本工程采用柱状浇注法，分块浇注，待坝块冷却到一定温度后才进行接缝灌浆，故假定无温度应力的初始温度场为并缝灌浆时的坝体温度场，即设计采用的稳定温度场。稳定运行期不同月份下的准稳定温度场与稳定温度场之差作为温差场，由温差场产生的应力为该月份的坝体温度应力。

坝体稳定温度场计算结果表明：坝体等温线基本平行于下游坝面，变化较均匀，宽缝处温度相等，上游面受库水温度影响，温度从上游面至下游面逐渐增加。

2.2.5 坝体各月准稳定温度场

坝体边界温度以年为单位周期变化，温度变化步长为月，以并缝灌浆时的温度场作为初始温度场，利用ANSYS瞬态热分析功能模拟坝体温度场变化过程，求解坝体每月的温度场。计算截至相邻两年同月的温度场相近时为止，取后一年的各月温度场作为坝体稳定运行期各月的准温度场。根据计算结果，第7年与第8年各月的温度相差很小，故取第8年各月的温度场作为本坝段的运行期准稳定温度场。各月准稳定温度场计算结果表明：坝体上游面附近受库水影响温度变幅较小。坝体内部温度较稳定，在10～12℃之间变化。坝体下游附近温度梯度较大，主要发生在距下游坝面6 m范围内，此范围内7月温升最大，较稳定温度场平均升高9℃，坝面最高温升达16℃；此范围内1月温降亦最大，较稳定温度场平均降低7℃，坝面最高温降达16℃。

取温度变化最大的1、7月的准稳定温度场计算温度应力。

2.2.6 有限元计算成果

“正常蓄水＋1月温降”工况坝顶向下游水平位移6.97 mm，坝体上游面处于受拉状态，高程194 m上游面垂直拉应力为0.926 MPa。

“正常蓄水＋7月温升”工况坝顶向上游水平位移8.21 mm，坝体上游面处于受压状态，高程194 m上游面垂直压应力为2.043 MPa。

两工况下坝体应力均在规范允许范围内。坝体混凝土施工质量达到设计要求的情况下，即使考虑温度应力作用，上游面高程194 m附近也不致产生水平裂缝。

综合两工况下坝体计算位移、应力计算成果可得出以下规律：坝体冬季向下游后仰，夏季向上游前倾；坝体194 m高程上游面在冬季受拉，夏季受压，以年为周期循环变化。

3 坝体裂缝成因分析

经查阅 “潘家口水库工程竣工资料”40#坝段甲块质量检查记录，194 m高程为施工浇注层。经钻孔检查，该高程附近岩芯很破碎，混凝土质量较差。

综上分析，对40#坝段上游面194 m高程水平裂缝的成因认识如下：

经复核计算原设计合理，若坝体混凝土施工质量满足设计要求，上游面高程194 m处不致产生水平裂缝。

坝段上游194 m高程为水平临时施工缝，该处混凝土施工质量较差，这是产生水平贯穿裂缝的内因。外界气温周期性变化对坝体位移和应力有较大影响，坝体冬季后仰、夏季前倾，上游面冬季受拉、夏季受压，变位和应力以年为周期循环变化。坝顶水平位移变幅15.18 mm，上游坝面194 m高程处应力变幅达2.969 MPa。外界气温周期性变化是导致坝体上游面194 m高程施工薄弱部位裂缝产生和发展的主要外因。

4 裂缝状况下坝体安全复核

采用材料力学法及有限元法对40#坝段裂缝状况下194 m高程截面的稳定、位移、应力等进行计算分析，以预测裂缝发展趋势，判断坝体的安全性。计算裂缝深度取8.0 m。

4.1 材料力学法

考虑8.0 m深裂缝的影响，采用材料力学法对坝体194 m高程截面抗滑稳定及坝体应力进行计算。根据实测结果，扬压力折减系数取法如下：坝体排水管上游取1.0，坝体排水管处取0.6。考虑194 m高程施工薄弱层面处混凝土破碎，抗剪强度指标较原设计值低，计算中采用指标如下：f=0.7；f′=1.0，c′=0.9 MPa。坝体194 m高程截面坝体抗滑稳定安全系数、坝体应力计算成果见表2。

由表2可知，各种工况抗剪断安全系数均满足规范要求，抗剪安全系数在最高蓄水位+地震工况时不满足规范要求，最高蓄水位+地震工况下裂缝下端垂直拉应力为0.269 MPa。

表2 194 m高程抗滑稳定安全系数及坝体应力成果（8.0 m缝深）

4.2 有限元法

4.2.1 计算说明

考虑8.0m深裂缝的影响，采用有限元法计算坝体应力和位移。计算方法及计算假定同前节2.2中所述。裂缝通过面—面接触单元模拟，裂缝上下面间摩擦系数取0.7。对“正常蓄水＋7月温升”“正常蓄水＋1月温降”“正常蓄水＋1月温降+地震”3种工况计算。

地震工况同时计入顺河向和竖向地震作用效应，总的地震效应将竖向地震效应乘以0.5的遇合系数后与顺河向水平地震效应叠加后取得。

地震动力分析采用时程分析法，选取与本工程场地情况类似的迁安波 （1976年8月31日唐山地震时记录到的一个强余震地震加速度时程曲线）作为地震加速度基础时程曲线，设计时程曲线在此基础上适当调整，曲线峰值加速度调整至0.2 g。地震波以无质量地基底部均匀输入的方式施加，结构固定阻尼比取0.05。

4.2.2 计算结果

“正常蓄水＋7月温升”工况下坝顶向上游方向水平移动并向上游倾斜，坝顶水平位移为8.43 mm，在194 m高程裂缝下游端处为-0.856 MPa的铅垂向压应力，裂缝闭合。

“正常蓄水＋1月温降”工况下，坝顶向下游方向水平移动并向下游倾斜，坝顶水平位移为7.09 mm，在194 m高程裂缝下游端处为0.452 MPa的铅垂向拉应力，裂缝张开，裂缝上游端开度1.155 mm。

“正常蓄水＋1月温降+地震”工况下，坝顶向下游水平移动并向下倾斜，194 m高程裂缝下游端为拉应力，铅锤向拉应力为1.04 MPa，裂缝张开，裂缝上游端开度1.46 mm。

4.3 裂缝状况坝体安全复核结论

由材料力学法计算结果可知：坝体现状抗剪断安全系数各种工况均满足规范要求。抗剪安全系数最高蓄水位＋地震工况不满足规范要求，裂缝下游端铅垂向拉应力为0.277 MPa。由有限元计算可知，高程194 m裂缝下游端垂直应力冬季为拉应力，最大拉应力为0.452 MPa，裂缝张开1.155 mm；夏季为压应力，最大压应力为-0.856 MPa，裂缝闭合。

在这种周期性拉、压应力状态转化及周期变位作用下，裂缝将进一步发展，裂缝冬季漏水量逐年增多的趋势也印证了这一点。在冬季遭遇地震时，缝端应力状况进一步恶化，最大拉应力为1.04 MPa，裂缝上游端开度将达1.46 mm，开度显著增加，严重威胁坝体的抗震安全。

裂缝的存在已危及到坝体的安全，且裂缝还将进一步向下游扩展，坝体漏水现象如不及时处理将进一步恶化缝面部位混凝土质量，故此裂缝应及时予以处理。

5 结语

通过计算分析判定，主坝40#坝段上游面194 m高程水平贯穿裂缝产生的内因是该部位为水平施工层面，且混凝土施工质量较差，而外因主要是外界气温的周期性变化。经对裂缝状况下坝体安全复核计算，坝体在裂缝高程层面抗滑稳定存在隐患，裂缝有逐年发展的趋势，若在冬季遭遇地震，该裂缝会显著发展、恶化。2007年，针对该裂缝采用了坝面及两侧横缝封堵、增打坝体排水孔、预应力锚索锚固的综合措施进行了处理。处理后两年多的监测结果表明，坝体漏水现象得到遏制，坝体扬压力恢复正常，裂缝发展得到有效控制，坝体运行安全可靠。