混凝土雙曲拱壩

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摘要：豐樂水庫大壩為變圓心變半徑的等厚拱混凝土雙曲拱壩。1978年夏季，壩區(qū)出現百年不遇的長期高溫干旱氣候，此時水庫又處于空庫狀態(tài)，致使壩體長期在空庫＋自重＋溫升荷載組合下運行。1978年冬季，在左、右岸下游壩面分別出現9條和3條裂縫；其后，下游壩面陸續(xù)發(fā)現新的裂縫。本文通過對下游壩面裂縫原因的分析，總結出拱壩設計中在體型及日照溫度等方面對壩體應力的影響，借以提出對拱壩設計規(guī)范中有關日照影響因素進行妥善改進。

關鍵詞：砼拱壩壩裂縫體型溫度日照成因分析豐樂雙曲拱壩

1工程概況

豐樂水庫位于安徽省黃山市巖寺區(qū)境內豐樂河上，距黃山東南約50km，是一以防洪、灌溉為主結合發(fā)電的綜合利用工程，水庫尾水流入新安江水庫。水庫總庫容8400萬m3，壩址以上控制流域面積297km2，為中型三等工程。水庫校核洪水位（500年一遇）為210．6m，設計洪水位為208．8m，正常蓄水位為201．0m，死水位為183．0m。

豐樂水庫大壩為變圓心變半徑的等厚拱混凝土雙曲拱壩，壩頂高程211．0m，壩底最低高程157．0m，最大壩高54．0m；壩頂厚2．5m，壩底厚12．5m，厚高比0．23；壩頂弧長216．15m，壩頂弦長168．2m，弧高比4．0，弦高比3．1。大壩沿拱壩軸線分為16個壩塊，各壩塊寬約12m。拱壩的結構尺寸見表1。

壩頂設有開敞式自由挑流溢洪道，溢流壩段弧長56．1m，堰頂高程204．0m，最大泄量2060m3／s。

大壩于1973年1月開始混凝土澆筑，1976年6月完成大壩混凝土施工，1978年3月大壩橫縫重復灌漿結束，至此，拱壩已形成整體結構，具備蓄水運用條件。但因庫內公路改線工程未能按期完成，為維持屯溪市至黃山的公路交通，壩內放水底孔一直敞開，水庫遲遲不能蓄水。1978年夏季，該地區(qū)出現百年不遇的長期高溫干旱氣候，水庫同時處于空庫狀態(tài)，致使壩體長期處于空庫＋自重＋溫升荷載組合下運行。1978年冬季在左、右岸下游壩面分別出現9條和3條裂縫，后于1986年進行了裂縫灌漿處理。

大壩裂縫分布見圖1。圖中裂縫編號1～20系1979～1986年間年出現的，其中有12條裂縫即為1978年冬季在下游壩面產生的（左岸9條、右岸3條）；圖中未編號的裂縫是1986～2001年間發(fā)展的裂縫。

2壩身裂縫及其發(fā)展

2．11986年灌漿前下游壩面裂縫狀況

由于1978年夏季高溫干旱，大壩處于空庫狀態(tài)，而拱壩較薄，拱圈曲率又較大，溫度荷載引起拱壩向上游變位，在下游壩面拱座附近產生較大拉應力。1978年5月7日到8月26日，在大壩左岸下游2號壩塊195m高程至6號壩塊165m高程發(fā)現裂縫，裂縫基本上平行于岸坡方向，總長度達80m左右，縫寬達1．0mm；右岸12號壩塊175m高程至14號壩塊176．3m高程裂縫沿175m高程水平建筑縫延伸29．35m長。1979年初用環(huán)氧樹脂封堵裂縫，當年10月發(fā)現裂縫繼續(xù)張開并向兩端延伸。1979年12月，南京水利科學研究所用超聲波對大壩左岸下游拱座附近184m高程裂縫進行探測，裂縫深度大于2．3m，該處壩厚6．9m。

由于大壩裂縫未能及時修補，1979年水庫蓄水后至1986年9月，大壩裂縫已發(fā)展到20條，總長度達260．8m，在裂縫和橫縫相交處，壩面潮濕、滲水，高水位時局部裂縫有噴射水霧現象。1986年冬季用改性環(huán)氧樹脂進行灌漿，共灌了19條裂縫，共計灌入改性環(huán)氧樹脂漿液331．2l，灌后縫面不再滲漏，通過超聲波檢測，大多數裂縫的波幅都有很大程度的提高，有的已接近無縫混凝土的波幅。

2．2壩身裂縫的發(fā)展

裂縫灌漿后，大壩運行一直比較正常。從1986年至1994年的觀測資料看，左岸壩后裂縫寬度有增大的趨勢，但沒有發(fā)現新的裂縫，已灌漿的裂縫也沒有被拉開。

1996年以后，下游壩面陸續(xù)發(fā)現新的裂縫，下游壩面漏水點增多，至2001年底共發(fā)現有40多處漏水點，并拌有白色的氫氧化鈣析出，部分裂縫和橫縫交叉處漏水，且滲水縫段較長，出現新的裂縫。2001年12月14日檢查發(fā)現，6號、8號、10號、11號壩塊出現水平裂縫或斜裂縫共6條，總長度28．1m。

2．3壩身裂縫的性狀

通過1979年和1986年分別由南京水科所和蚌埠水科所用超聲波對裂縫進行檢測，裂縫最大深度分別為2．3m和2．14m，縫寬不大于1．0mm，2002年初由淮河流域水工程質量檢測中心對新、老裂縫進行檢測，裂縫寬度為0．05～0．45mm。

從幾次裂縫檢測結果看，豐樂拱壩下游面裂縫均為表面裂縫。

3裂縫原因分析

3．11978年大壩裂縫分析

3．1．1拱壩體型對大壩變形的影響

豐樂拱壩是等厚圓弧拱，拱壩中心角較大，以196m高程拱圈為例，該層拱圈厚6．1m，拱圈中心半徑86．75m，中心角126°。如按目前的扁平拱壩布置，相同壩高處中心角約80°，拱圈中心半徑120．25m。可見，在拱圈厚度相同、跨度相同時，豐樂拱壩拱圈弧長比一般扁平拱壩多22．87m，在拱圈受到相同溫升荷載的作用時，豐樂拱壩拱圈向上游膨脹比一般扁平拱壩要大的多，而豐樂拱壩有六分之五的壩高段的中心角都大于120°，拱圈膨脹使下游壩面拱座附近產生的拉應力相當大。同時，豐樂拱壩是圓弧拱且中心角較大，造成左、右岸坡梁向上游倒懸度達到1∶0．33，在拱壩自重荷載作用下，左、右岸坡下游將產生0．7～0．8mpa的拉應力，并使拱壩產生向上游的變位。

3．1．2下游壩面溫度變化對拱壩應力的影響

豐樂河水在壩址附近由北向南流，拱壩中心線走向為ne18°25′，下游壩面朝南，在夏季高溫期間，陽光直射下游壩面。在空庫期間，上游壩面一直處在陽光照射不到的壩陰下，由于山區(qū)晝夜溫差較大，因此上游壩面溫度比下游壩面低得多；而兩岸坡梁又向上游倒懸，下游壩面接收陽光的熱量更多，上、下游壩面溫差更大。下游壩面溫度高于上游壩面，使岸坡梁向上游變形，在自重和溫升荷載作用下，用多拱梁法計算下游壩面的最大拉應力為3．56mpa，該計算結果還未考慮拱壩朝向和實際日照溫差的影響。

綜上所述，豐樂拱壩受體型及方位的制約，在空庫溫升條件下運行必然會產生裂縫。實際運行情況是，1978年8月26日在左、右岸坡發(fā)現的裂縫，即由上述原因所造成。因受上部拱圈的約束作用，岸坡梁向上游的變形受到限制，所以受拉裂縫沒有向壩的深部延伸。

3．2后期裂縫發(fā)展成因

豐樂拱壩由15條橫縫將大壩分成16個壩塊，每個壩塊的下游面寬度都小于12m。橫縫雖然經過接縫灌漿，但其承受拉應力的能力仍然低于壩身混凝土。從1986年以后壩下游面出現的36條豎向裂縫看，6號壩塊和4號壩塊中部都各有一條長12m和8m的長縫，其余34條豎縫長1～5m，縫寬0．05～0．45mm，縫深均小于2．0m，以上裂縫大多發(fā)生在河床至左岸壩塊。從裂縫分布和橫縫位置看，因較大的拱圈拉應力可以通過橫縫釋放，故兩橫縫之間的壩體混凝土不致被拉裂。

豐樂拱壩下游面朝南，拱冠附近壩體向下游倒懸，兩岸是拱座山脊，盛夏高溫期，下午2時至3時，壩下游好似大烤箱，行人不能停留，下游壩面溫度可達55～60℃。壩體內1．0m深處的混凝土溫度達34．6℃，壩面附近的混凝土溫度可能達到40℃以上，而夜晚山谷的溫度可很快降低到30℃以下，壩面下的混凝土溫度則下降較慢，內、外溫差可達20℃以上，由此產生的拉應力，可將壩面混凝土拉裂。由于拱壩中心線為ne18°25′，左岸下游壩面日照時間較長，右岸山脊較高，下午四點鐘以后，右岸壩下即照不到陽光，因此左岸下游壩面溫度應力較大，大壩實際運行也是在左岸壩下出現較多的豎向裂縫。

由上可知，下游壩面后期出現的裂縫多是由壩面的非線性溫差引起的表面裂縫。

4日照對壩面溫度的影響

《混凝土拱壩設計規(guī)范》（sd145－85）在關于邊界溫度的確定中規(guī)定：下游表面年平均溫度等于年平均氣溫加日照影響，下游表面溫度年變幅等于氣溫年變幅加日照影響（約1～2℃）。規(guī)范中對下游壩面溫度的計算，不管下游壩面是朝南還是向北，日照影響都定為1～2℃，對下游壩面朝北的拱壩可能差別不大，但對于下游壩面朝南的拱壩，其日照影響決不是1～2℃。

豐樂拱壩處的年平均氣溫為16．4℃，按規(guī)范規(guī)定計算下游表面溫度年變幅為18．4℃，按以上溫度荷載，用多拱梁法程序計算，左岸坡梁的拉應力為3．56mpa；而實測的下游壩面內1．0m處混凝土的溫度達34．6℃，靠近壩面處混凝土溫度會更高，因而豐樂拱壩實際承受的溫度荷載應比計算值要大得多，這也是豐樂拱壩前期產生裂縫的重要原因之一。

5預防壩面溫度裂縫的措施

在拱壩設計中，可能會遇到下游壩面朝南的中小型薄拱壩，有類似豐樂拱壩這樣的問題，如處理不好顯然將會在下游壩面出現較多的溫度裂縫。這些裂縫雖然不深，但對薄拱壩來說，裂縫切斷拱圈的深度占拱厚的比例較大，必然會引起拱圈應力的再分配，也可能在縫端產生應力集中，對拱壩安全造成不利，因此防止壩面出現溫度裂縫的問題不可輕視。

從豐樂拱壩實測溫度資料及分析可以看出，夏季日照對壩面溫度的影響不可忽視。較好的解決辦法是在下游壩面貼上保溫層，使每天日照高溫來不及傳到壩面混凝土就到了晚上的降溫時間。中國水利水電科學院研究的發(fā)泡聚胺脂保溫層是較好的保溫材料，聚胺脂和混凝土壩面的黏結力為0．1mpa，5～6cm厚的發(fā)泡聚胺脂可相當于4．0m厚的混凝土的保溫效果，足以阻止日曬高溫傳至下游壩面，從而使下游壩面溫度能長期保持在夏季的平均溫度。此外，保溫層對冬季氣溫驟降也有很好的防護作用。

6結語

經以上對豐樂拱壩壩面裂縫的分析可知，其1978年發(fā)生的裂縫是1978年夏季高溫＋空庫＋自重荷載組合引起的，而后期發(fā)生的壩面裂縫中的少部分水平縫是由于拱壩應力重分配引起的，大量的裂縫是線性溫差和表面非線性溫差引起的淺層短小細縫。豐樂拱壩特有的體型及方位布置進一步促使了上述裂縫的產生，應引起足夠的重視。

針對豐樂拱壩運行中出現的問題，可說明以下兩點：

（1）等曲率、等厚、大中心角的拱壩設計有一定的局限性，過大的中心角雖然可以減小拱厚，但拱圈弧長的增大卻降低了拱圈適應變形的能力。而變曲率、變厚的三圓心拱、橢圓拱、拋物線拱應是拱壩的發(fā)展趨勢，它們可以更好地改善壩體應力，同時亦更有利于拱座的穩(wěn)定。

（2）日照對壩面溫度的影響不可輕視。對于薄拱壩來說，由于日照影響造成壩面溫度升高，在拱壩的上、下游線性溫差中所占比重更大，因此拱壩規(guī)范中規(guī)定的日照影響為1～2℃，對有些拱壩就不適宜，希望新的拱壩設計規(guī)范能妥善解決好日照對壩面溫度的影響問題。