蟒塘溪大坝厂房坝段下游面裂缝成因分析及处理

唐 卓

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

1 概 况

蟒塘溪水利水电枢纽工程位于湖南省沅水一级支流舞水中游，地处湖南省芷江侗族自治县境内，下距芷江县城6 km。总库容1.53亿m3，是大（Ⅱ）型水库，枢纽工程属二等工程。挡水坝为2级建筑物；电站厂房为3级建筑物。

厂房为坝后式，大坝在厂房上游处共分3个厂房坝段。3台机组坝内发电引水管分别分布在3个厂房坝段正中间，发电引水管为C20混凝土结构，流道内表面有配筋，坝体下游表面未配筋。3个厂房坝段的坝下游面中间部位（沿坝体内发电引水管斜直段位置）（图1）都有一条与横缝近乎平行的长裂缝，裂缝宽度（1.5～1.7）mm，有白色析出物残留。初步判断此3条裂缝部分位置已经贯穿到发电引水管内，冬季张开，出现渗水，夏季闭合，渗水停止。根据《安全鉴定报告》的描述，裂缝为引水管外侧混凝土最薄处，受到温度应力的影响，产生应力集中现象而导致。

2 应力分析

为了进一步验证该裂缝产生的原因以便提出与之对应的处理方法，对该部分进行了ADINA有限元应力分析，分析过程及成果如下：

图1 厂房坝段剖面图

（1）计算参数。厂房坝段采用混凝土强度等级为C20，钢筋采用HPB235和HRB335钢筋，相关混凝土、钢筋与钢材的强度及特性见《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）。 相关温度参数：C20混凝土热传导系数为 2.33 w/m·k，C20混凝土比热容1 005 J/（kg·K）。

模型整体采用线弹性材料，垂直流道截取坝体断面，采用平面应力进行受力分析。分别计算钢筋混凝土发电引水管流道无水、有水、温度作用等情况下的应力情况。

（2）计算荷载。计算的主要荷载为流道内部受水压力，温度荷载等。

流道内的水体，以相应的压力施加到流道周边中，温度荷载作为边界条件施加在截面的内外侧。

（3）建立模型及确定工况。计算采用平面有限元法，选取一个坝段流道断面进行平面应力分析。模型砼采用线弹性材料，温度和水压力荷载分别施加在流道内部和外围的断面上，模型采用2D-solid单元划分。约束方式采用底部固结；两侧由于温度缝，无约束，模型见图2。使用ADINA的TMC模块进行温度场和应力场耦合。

图2 一个坝段计算截面

坝后温度采用气温，坝前和管内采用库水温度，分别计算了以下4种工况：

工况1：只考虑自重。

工况2：流道内充满水（不考虑温度变化）。

工况3：冬季流道充满水（当地正常状况下，内部温度10℃，外部温度5℃；同时考虑8 m水锤压力的最不利工况）。

工况4：夏季流道充满水（当地正常状况下，内部水温22℃，外部温度27.7℃；同时考虑8 m水锤压力的最不利工况）。

（4）应力计算。限于篇幅计算成果图只列举最不利工况3（A点拉应力最大工况，A点所在面未配钢筋），工况1、工况2、工况4应力计算成果见附表。

工况3：冬季流道内充满水（流道内10℃，外部5℃；考虑8m水锤受力最不利工况），计算成果图见图3～图5。

在选取计算结果的过程中针对厂房段流道顶部裂缝，选取流道顶部相应关键点A、B。

附表 流道顶部关键点应力情况成果表（+受拉，-受压）

图3 温度场（工况3）

图4 第一主应力（工况3）

图5 水平向拉应力（工况3）

3 结论及裂缝处理

计算结果表明，A点为未配筋区域，最危险为工况3，最大水平拉应力达到1.252MPa，超出混凝土极限抗拉强度，实际出现裂缝位置与计算中抗拉区一致；另外从A、B两点在不同的工况下均出现了不同的拉应力或压应力的情况来看，随着季节与气候变化该区域混凝土处于受压和受拉不断循环的过程，因此该处混凝土也存在疲劳破坏的可能。温度荷载在钢筋混凝土结构设计中不能忽视。

B点在工况4（夏季）下，均出现了1.38MPa以上的拉应力，该处配了2排Φ25@175的钢筋，经复核，该处钢筋可以承受该部分拉应力，不需要再进行加固。

根据应力分析图谱，A点在工况二、工况三下均出现了拉应力，而该区域正好是未配钢筋区域，因此需要对该结构进行加固以减少拉应力对于混凝土的作用，控制裂缝的进一步发展。目前对于开裂结构的加固主要有粘贴碳纤维和粘贴钢板等方案，综合工作环境适应性与现状选择采用粘贴钢板对该结构进行加固，材料选用Q235钢板。通过对各种工况下所需要的钢板厚度的计算，得出钢板的最小厚度为3.4 mm，考虑到安全系数以及锈蚀等因素，本次选择6 mm厚的钢板。根据有限元应力图谱发现大坝下游侧在不同工况下拉应力分布宽度约为6m，本次拟对受拉区全部加固，同时保证两侧大于200 t（t为钢板厚度)的锚固长度，因此粘钢的宽度确定为8.4m，为便于施工钢条宽度采用（10～20）cm。裂缝经粘贴钢板处理后目前发电引水管运行情况良好。

[1]孙训方，方孝淑，等.材料力学[M].北京：高等教育出版社，1993.

[2]王润富，陈国荣.温度场和温度应力[M].北京：科学出版社，2005.

[3]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京：水利电力出版社，1979.