参窝水库大坝裂缝的分析

2014-03-23师晓东

东北水利水电 2014年1期

关键词：纵缝闸墩坝段

师晓东

（集安桓集工程管理有限公司，吉林通化 134200）

参窝水库大坝裂缝的分析

师晓东

（集安桓集工程管理有限公司，吉林通化 134200）

参窝水库大坝为混凝土重力坝，由挡水坝段、溢流坝段、电站坝段 3 部分组成。文章介绍了参窝水库大坝重要裂缝的现状调查结果，裂缝的大致类型，裂缝的成因，以及裂缝的危害和解决方法，根本的裂缝问题需引起相关部门高度重视，亟须解决。

裂缝；参窝水库；大坝

1 概述

参窝水库位于辽宁省辽阳市太子河干流上，是一座以防洪为主，兼顾工业、农业用水，并结合发电等整合利用的大（Ⅱ）型水利枢纽。参窝水库原为 100 年一遇洪水设计，水位 101.80 m，1 000 年一遇洪水校核，水位 102.00 m。自上游观音阁水库建成后，参窝水库的设计标准由 100 年一遇提高到 300 年一遇，校核标准由原来的 1 000 年一遇提高到 10 000 年一遇洪水。参窝水库大坝为混凝土重力坝，由挡水坝段、溢流坝段、电站坝段 3 部分组成。大坝全长532 m，共分为 31 个坝段，其中：右侧（1～3 号）和左侧（22～31 号）坝段为挡水坝段;4～18 号为溢流坝段；19～21 号为电站坝段。溢流坝段位于主河床，堰顶高程为 84.8 m，设 14个溢流表孔，有 14 扇 12m×12m 弧形钢闸门控制。溢流堰顶采用克 -奥非真空曲线，70.93 m 高程与 1:0.9 直线段连接，67.74 m 高程与反弧段连接。参窝水库大坝最大坝高50.3m，坝顶高 103.5m。

2 大坝裂缝的调查及分类

参窝水库大坝坝体裂缝严重。1971—2012 年共进行了11 次裂缝普查。裂缝也从 1971 年的 210 条增加到 2012 年的 1 243 条，历次普查发现，大坝裂缝逐年增加，而且裂缝的长度、宽度及渗水等问题也逐年趋于严重注：2012 年裂缝统计包括堰面 370 条裂缝。

大坝的重要裂缝主要分为4种类型：

1）自基础向上开裂的纵向裂缝，包括沿排水廊道顶拱开裂的纵缝。比如 5 号坝段桩号 0+014.8 穿过横向廊道的纵向裂缝，向上延伸已超过 66.40m 高程，可能与闸墩裂缝贯通。通过在 7号坝段堰面打斜孔进行检查，证明此裂缝自基础已向上延伸至坝面不足 1.7 号 m，形成切割坝段的纵缝。17 号坝段桩号 0+024.0 排水廊道贯通全坝段的纵缝，桩号 0+030 附近环缝可能与堰面连通形成贯穿全坝段的纵缝。6，8，10，12，16 号坝段均有沿排水廊道顶拱轴线分布的纵缝。底孔的环缝和排水廊道的纵缝已经贯通，成为切割坝段的纵缝。23 号坝段横向廊道内桩号 0+017.4～0+ 018.8 处环缝，其底部已与排水廊道顶拱裂缝相互贯通，向下延伸至基础，向上延伸至坝面不足 2.3 m 的位置。25 号坝段排水廊道裂缝，已经向上延伸到距坝面不足 1.47 m 的位置，已经成为切割半个坝段的纵缝。

2）闸墩和边墩上的贯穿裂缝。闸墩上的裂缝大多是从堰面向上延伸的，而且大多数分布在牛腿的上游和弧门面板的下游。这些裂缝几乎都是对称性的分布在闸墩的两侧，其中 4，14，18 号坝段均有由溢流堰体贯通到闸墩上的裂缝。

3）水平施工缝。电站坝段以及左岸的挡水坝段一直存在渗水问题，尤其在 78.00 ～89.00 高程的位置渗水很严重，同库水位高程同步，夏季水流成股流下，冬季结成冰溜子，表明这一高程的水平施工缝贯穿坝体。

4）裂缝自上游的坝面开裂，直接贯通到横向廊道和闸门井，这种属于横向裂缝。主要分布在 5，11，16 号坝段。

裂缝统计：纵缝 67 条，闸墩裂缝 102，水平裂缝 121，横向裂缝 50。

3 大坝裂缝产生的原因

大坝裂缝产生的原因有多种，总结起来大致有下面几个主要原因：

1）浇筑时基本上没有进行温控，坝体温度较高，温度的应力过大。设计要求允许大坝基础部位混凝土不应超过28～32 ℃，而施工中大量实测资料表明，在基础范围内的混凝土温度一般为 40～45 ℃，而最小为 35.6 ℃，最大为 49.4℃，远远超过了设计要求。坝体的表明裂缝，主要是由于气温骤降，混凝土内外温差较大造成的。

下面具体分析温控方面的不利因素：

①由于混凝土的水化热温度升高，参窝水库大坝的水泥用量大，据统计，200 号混凝土占总量的 90%，每立方混凝土的水泥用量 220 kg。

②混凝土的浇筑层过厚，层厚超过 1.5m 的浇筑块占总浇筑块的 90%，层厚超过 5 m 的浇筑块占总浇筑块数的37%。

②浇筑块较长，基础部位采用通仓浇筑，仓面长 30～40 m，由于基础约束条件恶化，混凝土在降温过程中产生较大的收缩应力。

④部分混凝土入仓时温度较高，夏季温度超过设计温度高达 18～27.5℃，而夏季浇筑的基础混凝土块占 1/3，致使混凝土的最高温度增加。

2）当时施工中浇筑的部分混凝土均匀性较差，Cv＞0.2，部分混凝土未达到设计标号，因而降低了混凝土的抗裂能力。

3）参窝水库大坝施工期间寒潮频繁发生，降温幅度较大，有些部位浇筑后混凝土表面长期暴露，受寒潮的影响，混凝土极易出现裂缝。

4）坝体本身结构布置方面的因素影响。排水廊道布置在坝体中部温度应力较大的区域内，局部所受应力较为集中，使顶拱成为薄弱环节。

参窝水库大坝修建时，人们对北方的高寒地区混凝土大坝温度应力分布规律掌握有限，对混凝土的温控与防裂认识不足，修建时没有采取必要的有效的措施，使大坝在施工期就发现了裂缝。

4 大坝裂缝的危害及解决措施

4.1 纵缝

自基础向上开裂的纵向裂缝，已经接近下游坝面或与闸墩裂缝连通，将大坝沿上下游方向分成两个或三个部分，严重破坏了大坝的整体性。从裂缝对坝体危害程度看，排水廊道顶拱纵向裂缝和灌浆廊道顶拱纵缝为最大，3～27号坝段均有沿顶拱中心线分布的纵向裂缝。4，5，7，20，23，25号等坝段发现裂缝自基础向上开裂较长，几乎接近坝面，排水廊道顶部有底孔的坝段，纵缝已与底孔底板贯通，并且在底孔内形成环向裂缝。由此可见，廊道顶拱对的纵缝对大坝整体性的破坏性很大。

参窝水库在第一次除险加固时，对纵缝裂度比较严重的 10个坝段运用了预应力锚索。辽宁省水利水电勘测设计院关于《参窝水库大坝加固预应力锚索运行状态分析报告》中有3个结论性意见：

①参窝水库大坝预应力锚索永存吨位基本在 50 t以上，满足了加固设计要求的数值；

②锚索张拉锁定后，坝体产生了预压应力，并使裂缝有所闭合，起到了限制裂缝继续扩展和部分压合裂缝的作用，达到了坝体加固的设计目的；

③从观测成果资料分析，锚索运行状态正常，符合一般的变化规律，没有发现异常现象。

这说明对防止纵缝继续开裂，改善坝体应力的状态取得了较好的效果。在未来的参窝水库大坝除险加固设计中，应进一步研究除了已经有的 10 个预应力锚索坝段外，其他坝段下游面增设预应力锚索的必要性。

4.2 闸墩裂缝

闸墩分窄墩（厚 4m），胖墩（厚 9 m）。由于闸孔多（溢流孔 14 孔，底孔 6 孔），闸墩混凝土受环境温度的影响十分显著。参窝水库闸墩上的裂缝主要是由于温度应力引起的。每年的 1月份、2 月份底孔工作闸门和检修闸门在同一截面上的温度基本相同，均为负温区。受环境气温影响，在闸墩上产生很大的拉应力。如遇寒潮，该拉应力更大，此时底孔门槽部位由于应力的集中效应，拉应力将更大。裂缝产生后，因为没有及时地修复，导致水渗入裂缝，经过几次的冻融交替，裂缝迅速扩大，致使混凝土闸墩严重破坏。另外，受自然灾害因素的影响，已经严重裂缝的闸墩又是雪上加霜，导致了贯通缝的形成，破坏大坝的整体性。

相关专家给出的解决方法是：拆除原闸墩，重新浇筑。改变原来底孔的位置，不宜设计在闸墩上。虽然闸墩上设底孔，布置紧凑节省开支，但使闸墩应力过大，不利于闸墩的正常运行。

4.3 水平裂缝

参窝水库大坝的水平裂缝多数位于挡水坝段和电站坝段，使坝体混凝土上下层结构分离，导致严重的渗水。水平缝内部已经非常薄弱，每一次的冻融都无法恢复到原来状态，逐年积累，造成坝体也逐年抬高。通过做数据抗剪强度计算，设计洪水位和校核洪水位均不满足规范的允许值。

解决方案依据上堵下排原则，在上游坝面建一道沥青混凝土面板。并对水平裂缝进行灌浆填缝处理，彻底解决水平缝的问题。

4.4 横缝

有些坝段的横向裂缝虽然上下游不是贯通的，但一般都通到廊道和闸门井，这对整体稳定威胁不大，但渗漏现象较为严重。廊道内、闸门井侧壁，到处可见渗水、渗钙现象，骨料裸露。降低了大坝混凝土的强度。

建库以来，多次进行封堵。效果最好的是 1988 年之后选用水溶性聚氨酯化灌材料，经过几次的调整配方、更改配比、改变灌浆工序，对参窝水库的横向裂缝进行化灌处理，效果明显。