黄达海，陈彦玉

（北京航空航天大学土木工程系，北京 100191）

高拱坝强约束区固灌抬动致裂问题研究

黄达海，陈彦玉

（北京航空航天大学土木工程系，北京 100191）

针对某高拱坝固结灌浆过程中发生的抬动及抬动裂缝现象，分析了坝体产生抬动裂缝的原因，采用考虑弹性约束的坝体抬动有限元仿真分析方法，反演基岩对坝体的弹性约束系数，并对灌浆压力和坝体混凝土盖重进行敏感性分析。仿真结果表明，过大的灌浆压力容易导致坝体抬动及抬动裂缝，而增加盖重对减小抬动及抬动引起的坝体应力效果显著。

固结灌浆；抬动裂缝；弹性约束；盖重

1 工程背景

某水电站位于四川省雷波县与云南永善县接壤的金沙江峡谷中，拦河大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高285.50 m，库容126.7亿m3，正常蓄水位600m，电站总装机12 600 MW。工程以发电为主，兼有防洪、拦沙和改善下游航运条件等巨大的综合效益。

1.1 工程地质情况

坝址区河床基岩由二叠系峨眉山玄武岩（P2β）组成，系间歇性多期喷溢的陆相基性火山岩流，坝区总厚度490～520 m，可分为14个岩流层，同一岩流层厚度相对稳定，起伏差一般小于5 m。

岩流层整体产状平缓，顺河方向上，底层产状呈“陡-缓-陡”的平缓褶曲，坝址位于峡谷中部产状平缓段。该段两岸走向变化较大，左岸总体为N20°～40°W／NE∠4～7°，右岸N15°～30°E／SE∠3°～5°，构造破坏较弱，未发现规模较大的断层。层间错动带总体产状与岩流层近于一致，错动带局部产状变化较大，呈平缓波状起伏，层内错动带倾角平缓稳定，走向变化较大，带内物质大多为较坚硬的玄武岩角砾、碎块，极少含泥；坝区玄武岩裂隙较发育，但都较短小，走向较分散，连通性差，具有一定区段性，坝区岩体具有典型的裂隙式和夹层式风化的特征。

1.2 坝基固结灌浆

为了提高坝基的均匀性和整体性，增强基础的承载能力和防渗效果，对坝基进行固结灌浆处理。固结灌浆根据地质条件，分别采用“自上而下分段灌浆法”和“自下而上分段灌浆法”进行灌浆，浅孔及引管灌浆采用纯压式灌浆，深孔采用循环式灌浆。灌浆施工分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序。当采用有盖重灌浆时，盖重混凝土厚度一般不小于7.5 m，有盖重灌浆的钻孔和灌浆在相应部位混凝土达到50%设计强度后进行。

尽管采取了一系列控制抬动的措施，灌浆施工结束后，15＃和16＃坝段均产生裂缝，其中15＃裂缝尤为严重，裂缝长达14.11 m，缝宽0.15 mm，裂缝右端已到15＃横缝，与15＃横缝大约成60°夹角，孔内全景图像及对穿声波检测结果认定为贯穿性裂缝，裂缝的分布情况如图1所示。

2 抬动裂缝原因分析

针对15＃和16＃坝段灌浆过程中发生的抬动及抬动裂缝的现象，目前认为导致坝体抬动裂缝的原因主要有以下3方面。

2.1 地质条件

地质条件是抬动发生的根本原因，坝体所在处基岩产状平缓、裂隙较发育且贯穿性好，在基岩易内形成贯穿的均布灌浆压力，抬动现象极易发生。由于基岩对坝体混凝土有一定的约束，坝体并不是直接被灌浆压力抬起，而是由于基岩被抬动，带动了坝体。

2.2 灌浆压力和注入率

灌浆压力和注入率应根据基岩的裂隙及爆破松动情况、坝基受力情况综合确定。为了保证灌浆的质量，通常采用较大的灌浆压力和注入率，压力较高时，能使浆液更好地压入岩层中的较小裂隙和空间，充填密实，还可获得较大的扩散范围，便于浆液的凝结密实，提高基岩的强度，增强防渗性能和稳固性能；但是，如果灌浆压力过大，会使基岩内的裂隙扩张，使坝体发生抬动变形。注入率较大时，有利于浆液的扩散，即使灌浆压力很小，但注入率过大，又会使浆液来不及扩散，产生扩张压力，这也是抬动变形的重要因素。灌浆压力和注入率合适的组合是防止抬动产生的有效措施。

2.3 坝体混凝土盖重

固结灌浆应该在有盖重情况下进行，对于中、低坝地基条件较好，或者中、高坝经过灌浆试验论证后，固结灌浆部分可在无混凝土盖重的情况下进行。灌浆大部分采用的是有盖重灌浆，但是由于工期的要求，也有的工程采用了无盖重灌浆，以往工程中发生抬动的原因之一是坝体盖重太轻，不足以抵抗灌浆压力。灌浆之前，应结合坝体的盖重，确定合适的灌浆压力，既保证灌浆的效果，又能将抬动控制在允许的范围内。

图1 15＃与16＃坝段裂缝及横缝测缝计位置示意图（单位：m）Fig.1 Location of cracks and transverse joint meters in No.15 and No.16 dam sections

3 考虑弹性约束的坝体抬动有限元仿真分析

3.1 基本计算原理

由于灌浆过程中，施工灌孔所处发生的抬动，这种抬动会造成施灌区域附近部分出现大面积整体抬动变形，若将坝体的边界简化成简支或固定边界，会与实际边界条件产生较大差异；为了反映灌浆过程中坝体的抬动以及基岩对坝体的约束，将坝体的边界条件简化为弹性约束，将灌浆压力等效施加在坝体底部，在灌浆压力作用下，通过实测的抬动和横缝的开裂，反演基岩弹性约束系数ks。为了反映灌浆过程中的横缝开度，以15＃坝段（坝高10.5 m）和16＃坝段（坝高6.0 m）为研究对象，两段坝体之间横缝用三维接缝单元连接，单元厚度0.1 m，如图2所示。

图2 15＃与16＃坝段及坝体-基岩弹性约束计算模型示意图（单位：m）Fig.2 Diagram of No.15 and No.16 dam sections and elastic constraint calculation model between dambody and bedrock（unit in m）

计算采用ANSYS10.0，坝体采用六面体单元SOLID65，弹性约束采用二维弹簧单元COMBIN14模拟，有限元计算模型如图3所示；计算采用的参数如表1。

表1 坝体混凝土材料参数Table1 M aterial parameters of the dam concrete

图3 15＃与16＃坝段三维有限元计算模型Fig.3 FEM m esh of the No.15 and No.16 dam section model

3.2 计算成果

3.2.1 弹性约束系数ks的确定

考虑到基岩对混凝土的强约束作用，初次计算取ks＝1×106kN／m，可以得到此约束系数下坝体抬动；通过改变ks，可以得到弹性约束系数ks与抬动u关系曲线，如图4所示。

对图4中曲线进行拟合，弹性约束系数和抬动关系符合

其中：ks为弹性约束系数（106kN／m）；u为抬动（mm）。

图4 灌浆压力3.5 MPa，弹性约束系数与抬动值关系曲线Fig.4 Relationship between the elastic coefficient and the vertical disp lacement

相关系数为R2＝1，弹性约束系数与抬动关系高度相关。

固结灌浆压力最大压力达到3.5 MPa时，15＃坝段抬动监测仪实测值为2.01 mm，代入式（1），得到地基的弹性约束系数ks为6.9×106kN／m，采用反演得到的弹性约束系数ks重新计算，得到的抬动值为2.0 mm，误差为0.2%，可见反演结果得到的弹性约束系数是可靠的。

为反映灌浆过程中横缝开度，在15＃和16＃坝段横缝之间、上下游方向（高程328.7 m）埋设3支横缝测缝计，其位置如图1所示，横缝开度实测值如图5所示。从横缝测缝计实测值可以看出：灌浆过程中，横缝逐渐张开，达到最大灌浆压力3.5 MPa后，横缝开度基本稳定，3支测缝计J15-1，J15-2，J15-3的实测值分别为0.61，0.20，0.42 mm。由于在横缝是坝体之间连接的薄弱处，反演得到的约束系数对于横缝处来说，过度地约束了横缝的变形，使其在灌浆过程中呈闭合的趋势，与实测值不符。为此，适当放松基岩与横缝之间的弹性约束，将约束系数调整为0.5×106kN／m。再次计算表明，横缝开度和抬动理论值与实测值基本一致。

采用真实的弹性约束系数重新计算灌浆压力3.5 MPa下，抬动及抬动引起的应力计算结果如图6、图7所示。

图5 15＃与16＃坝段横缝开度实测曲线Fig.5 Themeasured curve of transverse joint between the No.15 and No.16 dam sections

图6 灌浆压力3.5 MPa，15＃与16＃坝段抬动云图（单位：m）Fig.6 Cloud chart of the vertical disp lacements of No.15 and No.16 dam sections under the grouting pressure 3.5 MPa（unit in m）

图7 灌浆压力3.5 MPa，15＃与16＃坝段上下游方向正应力云图（单位：MPa）Fig.7 Cloud chart of the normal stresses in the upstream and downstream directions of No.15 and No.16 dam sections under the grouting pressure 3.5 MPa（unit in MPa）

从图6、图7可以看出，在灌浆压力3.5 MPa下，坝体的抬动基本在2 mm左右，横缝处抬动值较大，达到4 mm，主要是接缝单元弹性模量小，是薄弱部位。从上下游方向正应力云图中可以看出，15＃坝段和16＃坝段抬动引起的最大拉应力分别为0.69，0.92 MPa，均发生在坝体表面附近，对于早龄期抗拉强度较低的混凝土来说，很容易导致坝体混凝土开裂。因此，基岩固结灌浆，除了考虑合适的灌浆压力，还应在混凝土达到一定抗拉强度后，再进行灌浆。此外，两个坝段不同的拉应力表明，盖重较低情况下，抬动引起的拉应力更大。

3.2.2 不同灌浆压力下坝体抬动及上下游方向最大正应力

为了反映不同灌浆压力下，抬动的变化以及由灌浆产生的应力，计算了15＃坝段在4种不同灌浆压力下的抬动和上下游方向最大正应力，如图8所示。随着灌浆压力的增加，抬动和相应的最大的正应力均有增加，最大灌浆压力3.5 MPa时，抬动达2 mm，最大正应力达0.69 MPa，如果叠加温度应力，极易引起坝体混凝土开裂。在灌浆过程中，应根据抬动的控制范围，选择合适的灌浆压力，以减小抬动引起的拉应力。

图8 15＃坝段不同灌浆压力下的抬动及最大正应力Fig.8 The vertical displacement and themaximum normal stress of No.15 dam section under different grouting pressures

3.2.3 不同盖重下坝体抬动及上下游方向最大正应力

固结灌浆一般在有盖重的情况下进行的，利用坝体的自重，可以有效地抵抗灌浆压力产生的抬动。为了衡量坝体自重对减少抬动的效果，计算了不同盖重情况下，抬动以及上下游方向最大正应力随盖重变化的情况。作为特例，计算采用最大灌浆压力3.5 MPa，计算结果如图9所示。

从图9中可以看出，随着盖重的增加，抬动和坝体最大拉应力均有不同程度的减小，尤其是对于降低最大正应力效果尤为明显，盖重增加到6 m，最大拉应力为0.98 MPa，对于龄期超过21 d的混凝土来说，是可以承受的；而盖重为3 m时，最大拉应力达1.73 MPa，混凝土很难承受；盖重从3 m增加到12 m时，最大正应力从1.73 MPa减小到0.67 MPa，降幅达61%。在灌浆过程中，在允许的抬动范围内和合理的盖重下进行灌浆，对于防止由于灌浆引起的开裂效果显著。

图9 灌浆压力3.5 MPa，15＃坝段不同盖重下的抬动及最大正应力Fig.9 The vertical displacement and themaximum normal stress of No.15 dam section under different coverage depths

4 结论及建议

（1）地质条件决定了基础上抬动压力分布方式，决定了窜浆路径。在灌浆开始之前，应有地质素描资料支持，不同部位采用不同灌浆压力。

（2）要慎用“无盖重灌浆技术”，尤其是地质缺陷比较明显的坝基。固结灌浆一般情况下应在有盖重的情况下进行。计算结果表明，增加盖重对于减小灌浆引起的抬动和拉应力效果十分显著；对于无盖重的情况，应选择合适的灌浆压力，防止过大的抬动以及抬动裂缝。

（3）目前的横缝开度监测周期与灌浆压力变化时间不匹配，导致开度监测数据不能为“灌浆压力调整决策”提供支持，有必要发展“拱坝横缝开度在线监测”技术。

（4）应进一步开展以横缝开度换算坝基抬动的科研，让灌浆行为对坝基混凝土的影响，尽量处于掌握之中。

（5）目前对抬动控制值还没有界定，而现场观测仪器受外界干扰较大，往往实测值也不一定能真实反映灌浆过程中的抬动，施工方往往一味追求灌浆效果，盲目加大灌浆压力，对于坝体防裂来说是非常不利的。本文提出的考虑弹性约束的坝体抬动有限元仿真分析方法，能反映灌浆过程中抬动以及应力变化情况，可以及时反馈给施工方，及时调整灌浆压力和注入率，为施工灌浆提供参考。

［1］ 莫时旭，钟新谷，赵人达.刚性基底上弹性约束矩形板的屈曲行为分析［J］.工程力学，2005，22（2）：174-178.（MO Shi-xu，ZHONG Xin-gu，ZHAO Ren-da.Buckling behavior of elastically constrained rectangular plate on rigid base［J］.Engineering Mechanics，2005，22（2）：174-178.（in Chinese））

［2］ 李代相，黄 猛.在基础灌浆施工中对地层抬动的控制［J］.水电站设计，2008，24（1）：82-86.（LI Daixiang，HUANG Meng.Lifting control of the strata during the foundation grouting［J］.Design of Hydroelectric Power Station，2008，24（1）：82-86.（in Chinese））

［3］ DL／T 5346-2006，混凝土拱坝设计规范［S］.（DL／T 5346-2006，Design specification for concrete arch dams［S］.（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

Study on Lifting Fracture in Strong Constrained Area of High Arch Dam by Consolidation Grouting

HUANG Da-hai，CHEN Yan-yu
（Department of Civil Engineering，Beihang Univ.，Beijing 100191，China）

Lifting and relevant concrete fracture often appear in the process of consolidation grouting of high arch dam，the reasons to lead to dam fracture were analyzed.A three-dimensional finite element simulation method，considering the elastic constraintbetween dam body and bedrock，was applied to inverse bedrock on the elastic constraint coefficient，and the sensitivity of grouting pressure and concrete coverage thicknesswere also analyzed.The results show excessive grouting pressure easily leads to the lifting and relevant fracture，while the coverage thickness can reduce the lifting and the corresponding normal stress effectively.

consolidation grouting；lifting fracture；elastic constraint；coverage depth

TV543

A

1001-5485（2010）08-0061-05

2009-11-16；

2009-12-16

黄达海（1964-），男，湖北洪湖人，教授，博士生导师，主要从事大体积混凝土施工过程仿真与温度控制的研究，（电话）13911528211（电子信箱）huangdh＠tsinghua.edu.cn。

陈彦玉（1984-），男，北京人，硕士，主要从事准大体积混凝土温控标准方面的研究，（电话）13426017731（电子信箱）chenyanyu0140＠163.com。