某薄拱坝中孔闸墩裂缝成因分析及处理措施研究

鲁传银，陈毅峰，罗洪波，徐 林

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

1 前言

某薄拱坝为抛物线双曲薄拱坝，坝高162 m，顶宽6 m，底宽25 m，厚高比仅为0.163，坝顶中心弧长254.35 m，最大中心角94.1°，最小中心角64.5°，坝体呈不对称布置。

该拱坝运行十多年来，左中孔闸墩裂缝由微裂缝发展为渗水裂缝。2011 年8 月10 日在进行大坝巡视检查时发现左中孔闸墩右边墙靠近大坝下游面附近原渗水裂缝又出现渗水情况，并伴有线状的射水现象。左中孔结构布置见图1。如何全面掌握中孔裂缝发育形态，了解裂缝及其进一步发展、长期渗水对中孔乃至大坝整体结构的影响，确定裂缝的处理措施，并预防和控制进一步的开裂，彻底解决其安全隐患，成为该拱坝左中孔后期安全运行亟待解决的问题[1］。

图1 左中孔闸墩结构布置图

2 裂缝成因分析

2.1 裂缝分布情况

为了真实掌握中孔闸墩裂缝的开展情况，结合现场裂缝的开展情况，采用钻孔全景成像、声波对穿等手段对大坝中孔闸墩附近的裂缝发育的深度进行检测。探查裂缝性状检测，包括检测裂缝的长度、宽度和深度等信息。对导墙表面裂缝进行全面排查，共发现11 条裂缝（L1～L11）、结构缝F12 及施工分缝F13，见图2。

图2 大坝左中孔闸墩裂缝分布图

11 条裂缝主要分布在导墙主锚索辐射范围之内且靠近下游坝面区域，倾角多以陡倾角发育。按其裂缝走向可分三类：一是走向呈水平分布，如L6 裂缝；二是走向呈竖直向分布，如L1 裂缝和L3 裂缝；三是走向与竖直向呈45°～60°角度分布，如L2、L5、L7、L8、L9 裂缝。根据裂缝开展深度，分为贯穿性裂缝、深层裂缝、浅层裂缝。其中贯穿性裂缝1 条，为L1；深层裂缝6 条，分别为L3、L5、L6、L7、L8 及L9；浅裂缝或表面裂缝4 条，为L2、L4、L10 及L11。

2.2 分析理论与模型

根据东风拱坝左中孔裂缝现状，基于高拱坝真实工作性态理论，运用三维非线性有限元分析方法、子模型技术、离散裂缝模型开展裂缝成因分析进行分析。拱坝有限元模型见图3。计算荷载包括考虑结构体自重、上游静水压力、主（次）锚索张拉力、弧门推力、单侧关门时另一侧的过水压力、单侧关门另一侧检修门关闭时检修门对门槽的压力、地震时结构体惯性力以及地震时动水压力等[2］。

图3 拱坝有限元模型

2.3 裂缝成因分析

根据目前中孔闸墩裂缝研究现状与成果，结合本工程实际情况，初步确定导致左中孔闸墩出现裂缝的因素主要有预应力锚索锚固力产生次生拉应力、竖井支承不均匀沉降、导墙与坝体结构限制性变形、贯穿性裂缝L1 影响。其中，L1 裂缝的产生原因为“贯穿性裂缝L1 是由于表面内外温差较大，在多种因素长期作用下形成的裂缝”。

根据有限元分析结果，在自重+预应力荷载作用下，右导墙的主拉应力基本在0.8 MPa 以内。主拉应力较大部位主要集中在上游进口与拱坝坝体接触的上游面中下部牛腿位置，而出口右导墙主拉应力值除顶部局部约0.4 MPa 拉应力外，其余部位均无明显拉应力区，因此，预应力锚索次生拉应力不应该是导墙产生裂缝的主要原因[3］。

随着竖井支承模量不断降低，导墙中部区域的主拉应力也逐渐增大，其主拉应力方向与竖直方向呈45°斜交，该方向与该区域裂缝走向基本呈正交。但从应力值来看，竖井支承弹性模量处于设计参数时，最大拉应力值在约1.0 MPa 左右，不至于产生裂缝。因此，竖井支承混凝土强度不均匀不是裂缝产生的主要原因。

从高应力区分布位置、左右中孔结构受力对比分析看，导墙与坝体结构限制性变形不是左中孔右导墙产生裂缝的主要原因。在左中孔右导墙与坝体连接部位存在裂缝情况下，左中孔两侧导墙的抗弯、抗扭刚度等混凝土性能不一致，消弱了原设计的钢板消除限制性变形的作用，因此，在有裂缝的情况下，导墙与坝体结构限制性变形对存在裂缝一侧的表面应力有不利影响[4］。

由主拉应力分布云图4 可知，贯穿性裂缝L1 的存在对导墙主拉应力分布影响较大，死水位+温降工况下贯穿性裂缝L1 的存在使得导墙中部的最大主应力增大0.2 MPa 左右，最大拉应力增大至1.55 MPa。完好结构（无贯穿性裂缝L1）导墙表面主要应力区集中在导墙顶部。而模拟了贯穿性裂缝L1的结构导墙表面应力明显出现重分布现象，高拉应力区部位由导墙顶部转至导墙与坝体相接的中下部，而这点与裂缝开展性状、部位吻合。因此，贯穿性裂缝L1 的存在是导致右闸墩出现裂缝的主要原因。

图4 主拉应力分布云图（贯穿性裂缝L1 影响）

因此，通过各影响因素分析，左中孔导墙裂缝受多因素影响。贯穿性裂缝L1 是由于表面内外温差较大，在多种因素长期作用下形成的裂缝，贯穿性裂缝L1 的存在削弱了右导墙与坝体的连接性，导致了导墙应力的重分布，影响了导墙结构的应力状态，且表面应力值加大，范围与裂缝开展部位吻合性较好，是左中孔右导墙裂缝产生的主要原因。

3 裂缝对大坝安全度影响分析

根据调研的部分工程缝面参数取值结果，并结合东风工程左中孔裂缝处理情况，拟定缝面计算参数见表1。

表1 缝面参数取值表

不同裂缝状态下正常蓄水位+温降／温升工况坝体顺河向变形进行对比分析见表2。由表中对比分析可知，中孔裂缝经过处理后对大坝整体安全不影响。

表2 坝体顺河向变形对比表 单位：mm

根据裂缝开合状态分布，裂缝L7、L8、L9、L3、L1 处于张开状态，裂缝L11、L5 处于部分张开状态。由此可见，右闸墩上各裂缝大部分均处于张开状态。右闸墩裂缝对右导墙的应力产生重分布，对右闸墩应力分布影响很大，缝端拉应力较大，可能存在裂缝开展的风险。

4 裂缝处理措施研究

针对裂缝处理方案应是一个渐进的过程，必定裂缝处理的方案为：1）灌浆封闭加固；2）粘钢加固；3）封堵方案。拟定裂缝灌浆处理后缝面力学参数为：1）方案1：抗拉强度1.00 MPa，粘聚力1.00 MPa，摩擦系数1.30；2）方案2：抗拉强度1.00 MPa，粘聚力1.00 MPa，摩擦系数0.65；3）方案3：抗拉强度0.75MPa，粘聚力0.75 MPa，摩擦系数1.30。拟定粘钢加固方案为：1）方案1：仅粘钢加固，钢板厚度取20 mm；2）方案2：导墙内部增设50 cm 混凝土+粘钢加固，钢板厚度取20 mm。3 种裂缝处理方案变形、应力及缝面工作性态情况对比见表3。

表3 不同裂缝处理方案变形、应力及缝面工作性态情况对比表

灌浆方案虽然能增加右导墙整体性，提高变形刚度，但在承受外荷载后，右导墙部分裂缝仍二次张开，但是裂缝未出现扩展，可考虑采用灌浆封闭加固处理方案。粘钢加固方案使左中孔整体性增强且适应拱坝限制性变形能力增大，因此粘钢加固方案下右导墙应力状态得到明显改善，但右导墙L1 裂缝仍二次张开，考虑到粘钢方案的的可实施性较差，不推荐采用粘钢加固方案。封堵方案既改变左中孔局部变形与受力，又去除了导墙所承受的弧门推力荷载，大大改善了右导墙受力状态，但采用封堵方案改变了工程的结构和泄洪能力，需对大坝泄洪调节能力、水库运行调度、坝顶高程及坝体应力稳定等的影响进行分析，并报相关审查单位审查批准，实施难度较大。

5 结语

基于高拱坝真实工作性态理论，运用三维非线性有限元分析方法、子模型技术、离散裂缝模型开展薄拱坝中孔闸墩裂缝成因、裂缝对大坝安全度影响分析、裂缝处理措施研究。研究结果表明，中孔闸墩裂缝的产生受多因素影响，裂缝处理后对大坝整体安全不影响，中孔闸墩局部结构在荷载作用下，部分裂缝处于张开状态，可采用灌浆封闭的加固处理方案。