公伯峡大坝面板裂缝特点及成因分析

张 猛，郑子祥，吕高峰

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.国家水电站大坝安全和应急工程技术中心，浙江 杭州 311122)

混凝土面板堆石坝以混凝土面板作为主要的防渗体，面板防渗性能的好坏直接影响到大坝的防渗效果及稳定性。实践表明，受施工工艺、筑坝材料、水文地质条件、温度等的影响，混凝土面板在运行期容易产生不同规模的裂缝。面板裂缝成因可分为结构性裂缝和非结构性裂缝。结构性裂缝主要是指面板支撑体在自重、水压力、浪压力等外荷载作用下，堆石体本身的徐变、上下游堆石沉降差引起的不均匀沉降或地震水平力作用导致的，按成因可分为弯曲性结构裂缝、拉伸结构性裂缝和剪切裂缝三种；非结构性裂缝主要是面板在非外力作用下产生的裂缝，面板非结构性裂缝的成因主要分为面板混凝土施工不当产生的裂缝、因面板混凝土材料化学反应造成的裂缝、因面板混凝土干缩和温度应力(混凝土水化热、昼夜温差、季节性温差及气温骤降)产生的裂缝、混凝土冻融破坏裂缝。

1 国内面板坝面板裂缝特点及成因概述

通过对国内面板裂缝问题较为明显的面板堆石坝裂缝进行调查，总结国内面板裂缝特点及成因如下：

(1)水库蓄水前面板裂缝主要产生在面板中下部，蓄水后面板裂缝主要发生在水位以上。面板裂缝大多呈水平状；在岸坡较陡、水深较大时，容易出现平行岸坡方向的裂缝，典型工程面板裂缝分布(见图1)。

图1 典型工程面板裂缝分布示意图

(2)坝址河谷形状会影响坝体、面板的应力变形分布，“V”形不对称河谷，较为陡峻的一侧，裂缝会有集中现象。

(3)面板裂缝最早产生在面板刚浇筑完成，主要是由干缩应力和混凝土水化热引起的温度应力所致，裂缝一般为表面裂缝。

(4)面板混凝土的施工缺陷，如混凝土配合比不合适、混凝土坍落度不稳和供料不及时、滑模滑升方式和速度不合理等，也易使面板在浇筑完成初期产生裂缝。

(5)昼夜温差大、季节温差大或出现气温骤降，是面板裂缝的产生和发展的重要原因，其影响一直从面板施工期持续到运行期。

(6)大坝沉降量过大、坝体沉降不均匀是面板产生裂缝的一个主要原因，一般出现在高坝或坝体施工存在缺陷(坝体填筑料碾压不足、坝体填料压缩性偏大，垫层料亏坡、碾压强度不够等)的大坝。

(7)在高寒地区，冰的冻胀力会产生弯剪作用，从而导致面板冻融剥蚀破坏。

总的来看，面板混凝土浇筑期间混凝土水化热、昼夜温差大或气温骤降、混凝土干缩应力、面板施工的缺陷等，均会导致面板产生表面裂缝，绝大多数面板在浇筑完成初期产生了表面裂缝；季节温差大、昼夜温差大、寒潮侵袭导致的气温骤降是面板裂缝产生的一个重要原因；坝体填料压缩性偏大、大坝填筑碾压质量、堆石区材料填筑级配的不合理、河谷形状因素、水压力作用等因素导致的大坝沉降量过大及不均匀沉降，是面板裂缝产生、发展乃至出现贯穿性裂缝的另一重要原因；另外，在高寒地区面板因冻融破坏产生裂缝也较为常见。

综合国内面板裂缝研究现状，面板裂缝大多呈水平状，在岸坡较陡、水深较深时两岸容易出现平行岸坡方向的裂缝，其成因机理及发展趋势研究较为成熟；而面板水位变动区裂缝几乎全部为竖向的仅有公伯峡大坝面板一例，其成因机理及发展趋势研究成果较少，本文对此进行深入分析。

2 公伯峡大坝面板裂缝性状

(1)工程基本情况

公伯峡面板堆石坝最大坝高132.2 m，坝顶高程2 010 m，坝顶长度429 m，面板顶部高程为2 005.50 m。面板厚度0.3(顶)～0.7 m(底)，共分为38块，其中34块宽度为12 m，左右岸4块宽度6 m。

(2)面板裂缝特点

靠右岸1#～2#面板裂缝较少，3#～7#面板裂缝基本在3～5条，8#～17#面板受到压应力的作用，产生裂缝很少，从18#面板开始靠近左岸产生的面板裂缝较多，除20#面板上(编号为20-2，长约25 cm)为水平向裂缝，其余面板均为竖向裂缝，并延伸至水面以下。

总结面板裂缝有如下的规律：面板裂缝主要集中在水面以上，水面以下很少；左右岸部位面板裂缝较多，河床部位较少；冬季产生的裂缝远多于夏季。根据对堆石坝面板延伸至2 001.59 m以下的6条面板裂缝水下检查的结果，裂缝最低延伸到1 996.50 m高程。公伯峡面板裂缝分布示意(见图2)。

图2 公伯峡大坝面板裂缝分布示意图

3 公伯峡大坝面板裂缝成因分析

3.1 环境量监测资料

公伯峡坝址区冬季气温较低(实测最低气温为-18.0℃)，夏季气温较高(实测最低气温为37.1℃)；各月最大日温差在21.2℃～25.8℃之间，3～5月受寒潮侵袭日温差普遍较大，典型过程线(见图3),气候条件恶劣；库水位多数时间在死水位2 002.00 m到正常蓄水位2 005.00 m之间变化，变幅极小；面板实测温度大致以1 938.00 m高程为界，上部受气温影响明显、年变幅较大，下部变化较为平稳，面板温度分布正常。

图3 典型寒潮气温实测过程线

3.2 有限元计算成果

选取公伯峡大坝代表性面板(河床中间10#面板)建立有限元局部模型，考虑相应约束及边界条件，经过计算可知：由高寒低温、寒潮降温、昼夜温差等恶劣天气引起的温度应力超过混凝土抗拉强度是导致公伯峡面板产生裂缝的主要因素。水位对面板裂缝走向形态起到关键作用，水位较高时面板遭受的温度最大拉应力基本上为水平向拉应力，易产生竖向裂缝(见图4)。水位较低时面板遭受的温度最大拉应力基本上为顺坡向拉应力，易产生水平向裂缝(见图5)。二者之间的转变并非随蓄水位线性变化，当水面以上面板面积达到某极小值时，裂缝的呈现形态将由水平向突变为竖向。库水位多数时间在死水位2 002.00 m到正常蓄水位2 005.00 m之间变化，水位变动极小，出露在水面以上的面板顺坡向长度约3 m，相对12 m宽的单块面板，出露部分呈狭长状，使面板遭受的温度最大拉应力基本上为水平向拉应力，导致面板裂缝的表现形态为竖向。

通过公伯峡大坝整体三维有限元结构计算可知，大坝投入运行以来，由于堆石体的流变，左、右岸面板坝轴向拉应力逐渐增大直至超过混凝土的抗拉强度，使两岸面板竖向裂缝不断增多。中间河床面板受压，能够抵消一部分温度拉应力，对抑制裂缝产生有利。因此，面板裂缝主要出现在左、右岸部位，河床部位较少。

图4 正常蓄水位2 005.00 m时，冬季低温工况面板应力分布及分解图

图5 库水位1 950.00 m时，冬季低温工况面板应力分布及分解图

4 结论

从国内各面板堆石坝裂缝调查情况看，面板裂缝走向基本沿坝轴向，靠两岸面板少数走向为斜向，成因可分为堆石体本身的徐变、上下游堆石沉降差引起的不均匀沉降等导致的结构性裂缝和因面板混凝土施工不当、面板混凝土干缩、面板温度应力、混凝土冻害等导致的非结构性裂缝。国内外关于面板水平向或斜向裂缝的成因机理和危害性研究已较为成熟，而公伯峡面板裂缝几乎都是沿面板坡向的竖向裂缝，较为少见，经研究分析是低温、寒潮温度突降等引起的温度应力、长期高水位、坝轴向结构应力共同作用的结果。