李家峡大坝坝后裂缝影响因素分析

张　毅，李　季，王雪梅（黄河上游水电开发有限责任公司，青海西宁，810008）



李家峡大坝坝后裂缝影响因素分析

张毅，李季，王雪梅
（黄河上游水电开发有限责任公司，青海西宁，810008）

对李家峡大坝坝后裂缝进行检测和数值仿真分析，分析裂缝成因及对大坝结构安全的影响，为水库非汛期经济运行提供技术支撑。分析表明，当水库提高水位运行，裂缝扩展到一定程度后处于稳定状态，其对大坝安全不会产生明显的影响。

大坝；裂缝；分析

1　工程概况

李家峡水电站是黄河上游大型梯级水电站之一，位于青海尖扎县与化隆县交界处，距上游龙羊峡水电站108.6 km，距西宁市112 km，属大（Ⅰ）型一等工程，以发电为主，兼顾灌溉。水库具有周调节性能，水库总库容17.5亿m3，设计洪水位2181.3m，相应库容16.5亿m3，正常蓄水位2 180.0 m，死水位2 178.0 m，调节库容0.6亿m3。枢纽建筑物由混凝土双曲拱坝、左岸重力墩、副坝、坝后双排机厂房和两岸泄水道等组成。大坝为混凝土三圆心双曲拱坝，坝顶高程2 185 m，最大坝高155 m。电站设计水头122m，最大水头135.6m，最小水头114.5m，设计总装机容量2000MW，第一期工程装机1600MW，多年平均发电量60.63亿kW·h。

电站于1988年4月开工，1996年12月下闸蓄水，1999年一期工程4台机组全部投产发电。2001年完成工程竣工安全鉴定。2007年12月和2015年3月分别完成大坝安全首次和第二次定期检查，被评为正常坝。

2　坝后裂缝情况

2006年8～10月，借李家峡大坝坝后保温板拆除之际，对坝体下游面（除11～13号坝段）2 059～2 185 m高程的裂缝进行了全面细致的检查，共发现151条裂缝，裂缝主要集中在2 150～2 185 m高程，裂缝缝宽均在0.1～2.0 mm以内。裂缝示意图见图1。

3　分析方法

裂缝对水工混凝土建筑物造成的影响及危害主要有以下几方面：（1）影响结构的强度和稳定性；（2）产生渗漏；（3）加速混凝土的碳化；（4）降低混凝土的耐久性。

裂缝的产生与发展不仅破坏混凝土坝的美观和整体性，而且影响混凝土坝结构的受力状况与稳定。混凝土坝裂缝的形成原因十分复杂，近些年来，工程技术人员和科技人员一直致力于探索用于分析混凝土坝裂缝扩展影响因素和机理的方法，主要采用试验、工程经验及数值仿真等方法。但由于实际工程的复杂性、影响因素的多样性，尚未找到较为理想的方法。笔者采用非线性理论及数值仿真模拟相结合的方法对影响李家峡大坝坝后裂缝的因素进行了分析。

图1　李家峡大坝坝后裂缝示意图Fig.1 Schematic diagram of cracks behind Lijiaxia dam

4　坝体温度对裂缝的影响分析

对于拱坝，影响裂缝状况的主要因素之一是坝体温度。由于拱坝为超静定结构，温度的变化对坝体应力的影响很大。因此，为了确认温度对裂缝状况的影响，在2008年坝体温度最高的8月底和坝体温度最低的2月底（坝体温度比气温滞后约1个月）对李家峡坝顶和坝后裂缝采用表面波法进行了两次检测，主要目的是检测裂缝的深度及宽度，并监测其发展变化情况。裂缝位置及编号见表1，检测结果见表2。

根据2008年8月（夏）和2008年2月（冬）两次检测结果的对比，可以发现如下规律：（1）对于坝体、坝肩、背管和左岸三角体，裂缝在深度和宽度上都有很大程度的变化，主要表现为深度变浅、宽度变窄；（2）对于坝顶，裂缝深度无明显变化，而裂缝宽度则有变宽的趋势。

由此可见：（1）对于坝体、背管、坝肩和左岸三角体，2008年8月份所测试的裂缝深度相对于2008 年2月份的测试结果有明显的变浅、宽度明显变窄，均表明该区域受到较大的压应力，特别是坝体上测试的许多深度数据已接近零，表明裂缝在高温季节处于受压闭合状态；（2）坝顶的裂缝测试结果则未显现以上规律，表明坝顶裂缝除了受温度荷载作用外，还受到混凝土干缩等影响。

5　库水位对裂缝的影响分析

李家峡水库于2009年开展大坝原型加密观测试验，为了明确水位变动过程中坝后裂缝深度以及宽度的变化情况，并确认水位变化对裂缝状况的影响，2009年2月配合水位变化过程进行了裂缝检测。

大坝加密观测试验时间段为2009年2月25日～3月12日。试验期间，水库实际最高水位达到2 181.35 m（2月28日6∶00），最低水位为2 174.60 m （3月7日20∶30），水位升降符合预定试验条件，获取了设计洪水位工况和水库水位小幅度波动条件下的大坝原型观测资料和裂缝检测成果。对李家峡大坝整个坝体的数据进行平均处理，可以最大程度地减小测试误差，有助于从全局上把握库水位变化对裂缝的影响。整个坝体裂缝综合分析见表3。

从表3可以看出，在本次测试的水位变化过程中，裂缝变化不明显。

6　基于有限元的坝后典型裂缝分析

为了寻找裂缝的不利荷载组合及判断裂缝产生的典型位置，结合主坝坝后2 150～2 185 m高程裂缝深度的检测结果，选取上游水位为2 180 m时环境平均温度分别为-10℃、0℃、15℃和25℃，以及环境平均温度为-10℃时上游水位分别为2 160 m、2 170 m、2 175 m、2 180 m、2 181 m、2 182 m、2 183 m、2 184 m和2 185 m共13组荷载工况对坝后裂缝的不利荷载组合及裂缝产生的典型位置进行分析。不同荷载组合下坝后裂缝变形的等值线图表明：当上游水库水位不变时（例如为2 180 m），坝后裂缝变形最大值的大小及位置由于温度的不同而有所变化；随着环境平均温度的下降，拱冠梁附近坝段2 150 m高程附近的裂缝变形逐渐增大，表明低温对拱冠梁附近坝段2 150 m高程附近的坝体较为不利，易使其产生水平裂缝；当环境平均温度为-10℃时，坝后混凝土的裂缝变形主要集中于拱冠梁附近坝段2 150 m高程附近，呈水平方向分布，且在上游水位为2 175 m时，该范围内的裂缝变形相对较大，随着上游水位由2 175 m上升到2 185 m时，该范围内的裂缝变形减小，表明当上游水位处于2 175 m附近且处于低温工况时，拱冠梁及其邻近坝段下游面2 150 m高程附近易产生水平裂缝。

表1　混凝土裂缝深度检测位置及编号表Table 1 Detection position and number of concrete cracks

表2　李家峡2008年2月（冬）与2008年8月（夏）裂缝深度测试结果对比Table 2 Comparison of test results of crack depth in February（winter）and August（summer）of 2008

以上分析可见，低温和较低水位（2 175 m左右）对坝后裂缝最为不利，此时易在拱冠梁附近坝段2 150 m高程附近产生水平裂缝；上游水位的小幅上升，如从2 180 m上升到2 181 m或2 182 m时，坝后裂缝变形呈减小趋势，即高水位下上游水位的小幅上升对裂缝未产生明显的不利影响。

表3　李家峡大坝裂缝综合分析表Table 3 Comprehensive analysis of cracks on Lijiaxia dam

7　裂缝影响因素分析结论

根据2008年2月、2008年8月和2009年2～3月的裂缝检测结果及基于有限元的坝后典型裂缝分析，得到如下结论：

（1）温度变化是影响裂缝变化的主要因素

从2008年检测结果分析，2008年2月与2008 年8月前后两次检测结果表明，缝宽和缝深都有较大差异，说明温度变化对于裂缝的影响较大，尤其是低温情况，在同样库水位下，裂缝的缝宽和缝深均较大。

（2）库水位变化对裂缝变化有一定的影响

从2009年2月检测结果的综合分析可见，接近温度工况下，水库水位变化对裂缝有一定影响，但其影响较温度变化要小。2009年2月测试结果表明，当水位降到2 175 m左右时，测试的裂缝深度有增加的趋势。从各个坝段来看，由于位置不同，裂缝深度变化幅度有一定差异；但从整体来看，增幅不大，约8%左右。由此说明当水位下降时，测试的裂缝深度增加，但增加幅度不大，说明库水位变化对大坝坝体的裂缝变化也有一定影响。

（3）低温及较低水位是裂缝不利荷载工况组合

根据2008年2月、2008年8月及2009年2～3月的检测结果，低温阶段测得的坝后裂缝宽度及深度较大，而高温阶段测得的裂缝宽度和深度较小。库水位下降到2 175 m左右时，与高水位相比，测得的裂缝深度有所增大。因此，低温和较低水位（2 175 m左右）是李家峡坝后裂缝的不利荷载组合。

8　结语

针对李家峡大坝坝后裂缝的工程实际，对裂缝的影响因素和正常运行时裂缝的发展进行分析，为提高水库非汛期运行水位提供技术支撑。李家峡大坝坝后裂缝检测成果分析表明，温度变化是裂缝产生的主要因素，水库水位变化对裂缝状态有一定的影响，尤其是在较低水位工况下测得的裂缝深度相对于高水位要大，低温和较低水位（2 175 m左右）工况是李家峡大坝坝后裂缝最为不利的荷载工况组合。有限元仿真模拟表明，低温和较低水位（2 175 m左右）时对坝后裂缝最为不利，此时易在拱冠梁附近坝段2 150 m高程附近产生水平裂缝；高水位下上游水位的小幅上升，如从2 180 m上升到2 181 m或2 182 m时，坝后裂缝变形呈减小趋势，即高水位对坝后裂缝未产生明显的不利影响，其对大坝的安全不会产生明显的影响。

［1］南京河海光华科技公司，黄河上游水电开发有限责任公司.李家峡大坝坝后裂缝成因、危害性和稳定性分析［R］.2011.

［2］张毅，李季，胡锁钢，等.黄河李家峡大坝原型观测试验研究［J］.大坝与安全，2014（6）：48-52.

［3］李友楼.柘溪大坝1号支墩劈头裂缝处理及效果分析［J］.大坝与安全，2002（4）：39-40.

作者邮箱：zhyygx@163.com

Title:Analysis of influence factors on cracks behind Lijiaxia dam//by

ZHANG Yi，LI Ji and WANG Xuemei//Yellow River Upstream Hydropower Development Co.，Ltd.

Crack detection and numerical simulation analysis were conducted for Lijiaxia dam，which explained the impact of cracks on dam structure safety，and provided technical support for economic operation of reservoir during non-flood period.The analysis showed that due to reservoir water level rise，the crack would extend to a certain degree and be in a stable state，which would not exert significant impact on dam safety.

dam；crack；analysis

TV698.2

B

1671-1092（2016）03-0023-06

2016-02-22

张 毅（1966-），男，高级工程师，研究方向为大坝安全管理。