永嘉县十八垄砌石拱坝裂缝成因分析及横缝设置的探讨

高敏速

(永嘉县水利水电勘测设计院,浙江 温州 325100)

1 工程概况

十八垄砌石拱坝位于永嘉县乌牛街道境内,坝址以上集雨面积1.35 km2,大坝为C15细石混凝土砌块石单曲拱坝,坝顶高程447.00 m,防浪墙顶高程448.20 m,最大坝高21.00m,坝顶中心线弧长65.66 m,顶厚2.00 m,底厚4.60m,厚高比0.219,拱圈最大中心角85.5°,采用不设横缝、整体上升砌筑。该工程于2003年11月动工,2004年6—10月为避开高温时段施工,暂停施工约5个月,2004年12月中旬主体工程完工,水库没有蓄水,处于空库运行状况。

2004年12月 25—28日气温为9℃左右,2004年12月28日至2005年1月3日气温连续下降至2.2～-4.1℃,1月4日气温骤升,最高温度达到16.5℃,2005年1月4日施工单位发现大坝左右岸出现竖向裂缝。根据现场检查,大坝左右坝端缝基本对称,裂缝宽度1～2mm。左岸2条裂缝,均为贯穿缝,距坝轴中心线分别为18.13,27.77m,裂缝范围分别为高程448.2～437.6,448.2～442.9 m;右岸2条裂缝,其中一条裂缝上下游贯穿,距坝轴中心线22m,范围为高程448.2～433.4m,另一条裂缝位于溢流堰导墙下,由坝基向上发展至一定位置消失(见图1)。

图1 拱坝下游裂缝分布示意图

2 裂缝成因分析及处理

2.1 坝体应力还原分析

根据实际情况,重新计算了水库空库+温降工况时坝体应力情况,封拱温度取施工单位提供的施工日记中的实际施工时平均温度,计算成果见表1。

表1 气温骤降+空库时坝体应力计算成果表

由表1可知,在气温骤降 (-4.1℃,设计工况平均温度为9.2℃)+空库工况下,两坝肩最大拉应力为2.35 MPa[1R,6C].,拱冠梁最大拉应力为1.66MPa,均远超过规范允许值,且超允许拉应力区分布较广,主要分布在两岸坝肩430.0m以上高程和下游面435.0m以下高程的拱冠梁位置。

2.2 裂缝成因分析

根据应力计算结果、裂缝产生的时间、位置及走向分析,结合国内其他类似工程经验,归纳主要原因有以下几个方面:

(1)该工程地质条件对称,坝基开挖轮廓线较平整,无突变,不存在应力局部集中现象。根据应力分析和裂缝产生的时间、位置分析,裂缝产生的主要原因是由于坝体内温度变幅过大,产生的温度拉应力远超出设计值,且坝体较薄从而导致坝体被拉裂。温度荷载一般占拱坝总荷载的30%左右,是砌石拱坝应力控制边界条件之一。据永嘉气象局记录,2005年1月4日前后,日夜温差较大,白天气温在+16℃左右,夜晚降至-4℃左右,而该工程地处山区,海拔较高,日夜温差更大,导致坝体产生裂缝。

(2)由于水库处于空库状态,大坝整体裸露于空气之中,大坝坝体特别是表面温度受外界气温变化影响较为显著。温度裂缝一般多发生在完工后蓄水的第1个寒冷冬天,而该工程还没蓄水,更加容易产生裂缝。

(3)由于大坝主体工程完工时间距产生裂缝时的时间较短,混凝土强度未达到设计值,水泥水化热使内部混凝土温度升高,而外部环境温度低,混凝土发生收缩,且坝体混凝土因在约束条件下,温降收缩变形大于当时混凝土所能承受的拉伸变形时导致坝体产生裂缝。

2.3 裂缝处理

参考类似工程经验,采用表面修补与内部灌水泥砂浆相结合的处理方案,具体措施如下:

(1)凿槽、缝面清理。对坝体裂缝进行凿梯形槽,槽口宽3 cm×5 cm,槽深约5 cm。

(2)造孔。采用风钻在坝顶及上下游造孔。大坝坝顶造竖向孔,沿裂缝斜交布设,钻孔深度按风钻极限钻深控制。上游面造斜孔,沿裂缝“梅花”型布孔,每lm布设1孔,孔深 0.5 m左右。大坝下游面造水平孔,孔深0.7～2.0m,孔距和孔径同上游面。造孔完毕后,在孔内预埋注浆管,采用内径20mm钢管,长50 cm,插入孔内40 cm,外露10 cm。

(3)清洗。灌浆前孔壁和裂缝先进行冲洗,冲洗压力为灌浆压力的75%,直到回清水为止。

(4)嵌缝。在槽内均匀涂刷1道环氧树脂基液,然后用环氧砂浆嵌槽,再敲实抹平。

(5)灌浆。灌浆温度在15℃左右,灌浆压力0.2～0.25 MPa。采用42.5普通硅酸盐水泥,水灰比为0.6～1.1。灌浆从最低处灌浆孔开始,先灌上游面后灌下游面,当上一灌浆孔有浆液溢出时,将其堵死,再将管移至另一灌孔。灌浆结束的标准是以不吸浆为原则。

(6)封孔。待浆液固化后,采用低水灰比1∶2水泥砂浆将灌浆孔封孔填堵捣实。

该工程灌浆后,冬季低水位时渗水量较处理前明显减少,近几年经历了多次洪水考验,工程运行正常。

3 横缝设置问题的探讨

砌石拱坝具有经济安全、施工期短等优点,广泛应用于中小型水利水电工程中。根据原SL 25—91《浆砌石坝设计规范》第8.3.1条及SL 25—2006《砌石坝设计规范》第9.3.1条“砌石坝根据地形、地质和温度等因素,可设置沉降或温度横缝” 规定[1].,未强制要求砌石拱坝设置横缝。永嘉县在2006年前建成了30余座小型砌石拱坝,为方便施工,这些坝基本上未设横缝。在运行过程中,包括此坝在内共有3座砌石拱坝出现了不同程度的开裂,时间集中在2004—2006年的冬季。从气象资料来看,这3座坝在完建后不久,外界温度发生了剧烈的变化,开裂均发生在拱坝完建后不久的空库(或死水位以下)+温降工况。拱坝为超静定结构,受外界温度的剧烈变化影响,坝体出现了显著的拉应力,对于未设横缝、整体上升砌筑的砌石拱坝更加明显,加上坝体较薄,故极易出现贯穿性的温度裂缝。

温度荷载是砌石拱坝应力控制边界条件之一,对于不设横缝、整体上升砌筑的拱坝,各拱层封拱温度随施工期气温变化而变化,不是一个常数,合理选择封拱温度是控制砌石拱坝应力的有效手段[2].。设置合理的分缝,则能改善应力分布,减少应力集中产生的不利影响,削减大坝的温度拉应力。然而设置横缝除构造上需满足封拱灌浆要求外,还需考虑单独段应力及稳定问题,且对灌浆时间又有要求,故对小型砌石拱坝施工会造成较大的干扰,另外工程造价也有所增加。

为探讨何种情况下可设置温度横缝问题,本文选取了2004—2006年建成的未设横缝小型砌石拱坝,对坝高、坝顶弧长、坝顶高程3个特性指标进行整理 (见表2)。

表2 9座未设横缝小型砌石拱坝工程特性表

由表2可知,2004—2006年建成的9座砌石拱坝,3座出现了开裂。9座在完建后不久的冬季,经历了一个气温骤降再快速回升的剧烈变化过程,且处于空库(或死水位以下)+温降工况。就坝体体形而言,通过对前述及其他几座砌石拱坝裂缝成因分析和相关经验总结,表明温度横缝的设置与坝顶弧长和工程所在地海拔关系较大,与坝高关系不大。根据永嘉县地形和温度等因素,结合拱坝特性,对横缝设置问题得出如下经验:

(1)单曲砌石坝。海拔450m以上,坝顶弧长超60m的宜设置横缝;海拔450m以下,坝顶弧长超80m的宜设置横缝,坝顶弧长80～60m的视工程具体情况设置横缝,其余可不设横缝。

(2)双曲砌石坝。海拔450m以上,坝顶弧长超90m的宜设置横缝;海拔450m以下,坝顶弧长超100m的宜设置横缝,坝顶弧长100～70m的视工程具体情况设置横缝,其余可不设横缝。

永嘉县2004年以前建成的小型砌石拱坝有20余座,除毛竹坝外,其余拱坝未设横缝,至今运行均正常。为进一步探讨横缝设置条件,本文整理了10余座小型砌石拱坝的相关数据,其主要特性见表3。

表3 2004年以前建成未设横缝至今运行正常的拱坝例表

续表3

影响拱坝应力的因素较多,有体形特性、封拱温度、运行工况等,虽然表3所列大坝在封拱温度、完工初期气象条件等方面与发生开裂的3座砌石坝有所不同,但通过询问水库管理人员和查阅相关资料,在水库运行过程中也出现过冬季气温变化剧烈的情况。表3中,坝顶弧长为131.40m的毛竹坝设了横缝,其余未设横缝砌石坝坝顶高程最高为546.50m,最大坝顶弧长为75.35m,最大坝高为30.90m,至今运行均正常。通过对比可知,表3所列砌石拱坝基本在文章所述的经验范围内,也一定程度上佐证了上述结论。

4 结 语

温度荷载一般占拱坝总荷载的30%左右,是砌石拱坝应力控制边界条件之一[2].。设置适当的横缝,能改善坝体应力分布,削减大坝的温度拉应力。过去永嘉县小型砌石拱坝设计因考虑方便施工等因素,基本上采取不设横缝、整体上升砌筑设计。在2006年以后的小型砌石拱坝设计中,按照前述经验总结,有几座拱坝针对性地设置了横缝,在运行初期也经历了寒潮,所有建成的近10座砌石坝至今均运行正常,这对永嘉县乃至其他地区的小型砌石拱坝设计提供一定的借鉴和参考。当然,拱坝开裂还与坝基地质条件、开挖坡度、施工的气温条件、运行工况等多种因素有关。就温度应力而言,本文结合永嘉县实际情况,从坝高、坝顶弧长、坝顶高程3个特性指标进行统计分析,探讨横缝设置条件,由于采用的分析资料数量有限,不能反映所有砌石拱坝的分缝规律,文中结论有待进一步实践证明。

[1].中华人民共和国水利部.SL25—2006砌石坝设计规范 [S]..北京:中国水利水电出版社,2006.

[2].龚羊庆,吴海真,吴晓彬.封拱温度对砌石拱坝应力的影响研究 [J]..人民长江,2011,42(15):45-46.