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丰乐混凝土双曲拱坝裂缝分析

　　摘要　　丰乐水库大坝为变圆心变半径的等厚拱混凝土双曲拱坝。1978年夏季，坝区出现百年不遇的长期高温干旱气候，此时水库又处于空库状态，致使坝体长期在空库＋自重＋温升荷载组合下运行。1978年冬季，在左、右岸下游坝面分别出现9条和3条裂缝；其后，下游坝面陆续发现新的裂缝。本文通过对下游坝面裂缝原因的分析，总结出拱坝设计中在体型及日照温度等方面对坝体应力的影响，借以提出对拱坝设计规范中有关日照影响因素进行妥善改进。
关键词砼拱坝 坝裂缝 体型 温度 日照 成因分析 丰乐双曲拱坝
1　工程概况
　　丰乐水库位于安徽省黄山市岩寺区境内丰乐河上，距黄山东南约50km，是一以防洪、灌溉为主结合发电的综合利用工程，水库尾水流入新安江水库。水库总库容8 400万m3，坝址以上控制流域面积297km2，为中型三等工程。水库校核洪水位为210．6m，设计洪水位为208．8m，正常蓄水位为201．0m，死水位为183．0m。
　　丰乐水库大坝为变圆心变半径的等厚拱混凝土双曲拱坝，坝顶高程211．0m，坝底最低高程157．0m，最大坝高54．0m；坝顶厚2．5m，坝底厚12．5m，厚高比0．23；坝顶弧长216．15m，坝顶弦长168．2m，弧高比4．0，弦高比3．1。大坝沿拱坝轴线分为16个坝块，各坝块宽约12m。拱坝的结构尺寸见表1。　　坝顶设有开敞式自由挑流溢洪道，溢流坝段弧长56．1m，堰顶高程204．0m，最大泄量2 060m3／s。
　　大坝于1973年1月开始混凝土浇筑，1976年6月完成大坝混凝土施工，1978年3月大坝横缝重复灌浆结束，至此，拱坝已形成整体结构，具备蓄水运用条件。但因库内公路改线工程未能按期完成，为维持屯溪市至黄山的公路交通，坝内放水底孔一直敞开，水库迟迟不能蓄水。1978年夏季，该地区出现百年不遇的长期高温干旱气候，水库同时处于空库状态，致使坝体长期处于空库＋自重＋温升荷载组合下运行。1978年冬季在左、右岸下游坝面分别出现9条和3条裂缝，后于1986年进行了裂缝灌浆处理。
　　大坝裂缝分布见图1。图中裂缝编号1～20系1979～1986年间年出现的，其中有12条裂缝即为1978年冬季在下游坝面产生的；图中未编号的裂缝是1986～2001年间发展的裂缝。
2　坝身裂缝及其发展
2．1　1986年灌浆前下游坝面裂缝状况
　　由于1978年夏季高温干旱，大坝处于空库状态，而拱坝较薄，拱圈曲率又较大，温度荷载引起拱坝向上游变位，在下游坝面拱座附近产生较大拉应力。1978年5月7日到8月26日，在大坝左岸下游2号坝块195m高程至6号坝块165m高程发现裂缝，裂缝基本上平行于岸坡方向，总长度达80m左右，缝宽达1．0mm；右岸12号坝块175 m高程至14号坝块176．3m高程裂缝沿175m高程水平建筑缝延伸29．35m长。1979年初用环氧树脂封堵裂缝，当年10月发现裂缝继续张开并向两端延伸。1979年12月，南京水利科学研究所用超声波对大坝左岸下游拱座附近184m高程裂缝进行探测，裂缝深度大于2．3m，该处坝厚6．9m。 　　由于大坝裂缝未能及时修补，1979年水库蓄水后至1986年9月，大坝裂缝已发展到20条，总长度达260．8m，在裂缝和横缝相交处，坝面潮湿、渗水，高水位时局部裂缝有喷射水雾现象。1986年冬季用改性环氧树脂进行灌浆，共灌了19条裂缝，共计灌入改性环氧树脂浆液331．2L，灌后缝面不再渗漏，通过超声波检测，大多数裂缝的波幅都有很大程度的提高，有的已接近无缝混凝土的波幅。
2．2　坝身裂缝的发展
　　裂缝灌浆后，大坝运行一直比较正常。从1986年至1994年的观测资料看，左岸坝后裂缝宽度有增大的趋势，但没有发现新的裂缝，已灌浆的裂缝也没有被拉开。
　　1996年以后，下游坝面陆续发现新的裂缝，下游坝面漏水点增多，至2001年底共发现有40多处漏水点，并拌有白色的氢氧化钙析出，部分裂缝和横缝交叉处漏水，且渗水缝段较长，出现新的裂缝。2001年12月14日检查发现，6号、8号、10号、11号坝块出现水平裂缝或斜裂缝共6条，总长度28．1m。
2．3　坝身裂缝的性状
通过1979年和1986年分别由南京水科所和蚌埠水科所用超声波对裂缝进行检测，裂缝最大深度分别为2．3 m和2．14m，缝宽不大于1．0 mm，2002年初由淮河流域水工程质量检测中心对新、老裂缝进行检测，裂缝宽度为0．05～0．45mm。
　　从几次裂缝检测结果看，丰乐拱坝下游面裂缝均为表面裂缝。

　　3　裂缝原因分析
3．1　1978年大坝裂缝分析
3．1．1　拱坝体型对大坝变形的影响
　　丰乐拱坝是等厚圆弧拱，拱坝中心角较大，以196m高程拱圈为例，该层拱圈厚6．1m，拱圈中心半径86．75m，中心角126°。如按目前的扁平拱坝布置，相同坝高处中心角约80°，拱圈中心半径120．25m。可见，在拱圈厚度相同、跨度相同时，丰乐拱坝拱圈弧长比一般扁平拱坝多22．87m，在拱圈受到相同温升荷载的作用时，丰乐拱坝拱圈向上游膨胀比一般扁平拱坝要大的多，而丰乐拱坝有六分之五的坝高段的中心角都大于120°，拱圈膨胀使下游坝面拱座附近产生的拉应力相当大。同时，丰乐拱坝是圆弧拱且中心角较大，造成左、右岸坡梁向上游倒悬度达到1∶0．33，在拱坝自重荷载作用下，左、右岸坡下游将产生0．7～0．8MPa的拉应力，并使拱坝产生向上游的变位。
3．1．2　下游坝面温度变化对拱坝应力的影响
　　丰乐河水在坝址附近由北向南流，拱坝中心线走向为NE18°25′，下游坝面朝南，在夏季高温期间，阳光直射下游坝面。在空库期间，上游坝面一直处在阳光照射不到的坝阴下，由于山区昼夜温差较大，因此上游坝面温度比下游坝面低得多；而两岸坡梁又向上游倒悬，下游坝面接收阳光的热量更多，上、下游坝面温差更大。下游坝面温度高于上游坝面，使岸坡梁向上游变形，在自重和温升荷载作用下，用多拱梁法计算下游坝面的最大拉应力为3．56MPa，该计算结果还未考虑拱坝朝向和实际日照温差的影响。
综上所述，丰乐拱坝受体型及方位的制约，在空库温升条件下运行必然会产生裂缝。实际运行情况是，1978年8月26日在左、右岸坡发现的裂缝，即由上述原因所造成。因受上部拱圈的约束作用，岸坡梁向上游的变形受到限制，所以受拉裂缝没有向坝的深部延伸。
3．2　后期裂缝发展成因
　　丰乐拱坝由15条横缝将大坝分成16个坝块，每个坝块的下游面宽度都小于12 m。横缝虽然经过接缝灌浆，但其承受拉应力的能力仍然低于坝身混凝土。从1986年以后坝下游面出现的36条竖向裂缝看，6号坝块和4号坝块中部都各有一条长12m和8 m的长缝，其余34条竖缝长1～5 m，缝宽0．05～0．45mm，缝深均小于2．0m，以上裂缝大多发生在河床至左岸坝块。从裂缝分布和横缝位置看，因较大的拱圈拉应力可以通过横缝释放，故两横缝之间的坝体混凝土不致被拉裂。
　　丰乐拱坝下游面朝南，拱冠附近坝体向下游倒悬，两岸是拱座山脊，盛夏高温期，下午2时至3时，坝下游好似大烤箱，行人不能停留，下游坝面温度可达55～60℃。坝体内1．0 m深处的混凝土温度达34．6℃，坝面附近的混凝土温度可能达到40℃以上，而夜晚山谷的温度可很快降低到30℃以下，坝面下的混凝土温度则下降较慢，内、外温差可达20℃以上，由此产生的拉应力，可将坝面混凝土拉裂。由于拱坝中心线为NE18°25′，左岸下游坝面日照时间较长，右岸山脊较高，下午四点钟以后，右岸坝下即照不到阳光，因此左岸下游坝面温度应力较大，大坝实际运行也是在左岸坝下出现较多的竖向裂缝。
　　由上可知，下游坝面后期出现的裂缝多是由坝面的非线性温差引起的表面裂缝。
4　日照对坝面温度的影响
　　《混凝土拱坝设计规范》在关于边界温度的确定中规定：下游表面年平均温度等于年平均气温加日照影响，下游表面温度年变幅等于气温年变幅加日照影响。规范中对下游坝面温度的计算，不管下游坝面是朝南还是向北，日照影响都定为1～2℃，对下游坝面朝北的拱坝可能差别不大，但对于下游坝面朝南的拱坝，其日照影响决不是1～2℃。
　　丰乐拱坝处的年平均气温为16．4℃，按规范规定计算下游表面温度年变幅为18．4℃，按以上温度荷载，用多拱梁法程序计算，左岸坡梁的拉应力为3．56 MPa；而实测的下游坝面内1．0m处混凝土的温度达34．6℃，靠近坝面处混凝土温度会更高，因而丰乐拱坝实际承受的温度荷载应比计算值要大得多，这也是丰乐拱坝前期产生裂缝的重要原因之一。
5　预防坝面温度裂缝的措施
　　在拱坝设计中，可能会遇到下游坝面朝南的中小型薄拱坝，有类似丰乐拱坝这样的问题，如处理不好显然将会在下游坝面出现较多的温度裂缝。这些裂缝虽然不深，但对薄拱坝来说，裂缝切断拱圈的深度占拱厚的比例较大，必然会引起拱圈应力的再分配，也可能在缝端产生应力集中，对拱坝安全造成不利，因此防止坝面出现温度裂缝的问题不可轻视。
　　从丰乐拱坝实测温度资料及分析可以看出，夏季日照对坝面温度的影响不可忽视。较好的解决办法是在下游坝面贴上保温层，使每天日照高温来不及传到坝面混凝土就到了晚上的降温时间。中国水利水电科学院研究的发泡聚胺脂保温层是较好的保温材料，聚胺脂和混凝土坝面的黏结力为0．1 MPa，5～6cm厚的发泡聚胺脂可相当于4．0m厚的混凝土的保温效果，足以阻止日晒高温传至下游坝面，从而使下游坝面温度能长期保持在夏季的平均温度。此外，保温层对冬季气温骤降也有很好的防护作用。
6　结 语
　　经以上对丰乐拱坝坝面裂缝的分析可知，其1978年发生的裂缝是1978年夏季高温＋空库＋自重荷载组合引起的，而后期发生的坝面裂缝中的少部分水平缝是由于拱坝应力重分配引起的，大量的裂缝是线性温差和表面非线性温差引起的浅层短小细缝。丰乐拱坝特有的体型及方位布置进一步促使了上述裂缝的产生，应引起足够的重视。
　　针对丰乐拱坝运行中出现的问题，可说明以下两点：
　　等曲率、等厚、大中心角的拱坝设计有一定的局限性，过大的中心角虽然可以减小拱厚，但拱圈弧长的增大却降低了拱圈适应变形的能力。而变曲率、变厚的三圆心拱、椭圆拱、抛物线拱应是拱坝的发展趋势，它们可以更好地改善坝体应力，同时亦更有利于拱座的稳定。
　　日照对坝面温度的影响不可轻视。对于薄拱坝来说，由于日照影响造成坝面温度升高，在拱坝的上、下游线性温差中所占比重更大，因此拱坝规范中规定的日照影响为1～2℃，对有些拱坝就不适宜，希望新的拱坝设计规范能妥善解决好日照对坝面温度的影响问题。