公伯峡水电站面板堆石坝水位变动区面板裂缝成因分析

陈念水

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

1 工程概况

黄河公伯峡水电站位于青海省循化县与化隆县交界处的黄河干流上，是黄河上游龙-青河段规划的第4个大型梯级电站，为Ⅰ等大(1)型工程，枢纽工程主要由河床钢筋混凝土面板堆石坝、右岸引水发电系统(含引渠、坝式进水口、压力钢管、岸边地面厂房及330 kV开关站)、左岸泄洪洞、左岸溢洪道(含左副坝)、右岸流泄洪洞、左右岸灌溉取水口以及右副坝和右岸混凝土面板防渗系统等组成。

水库正常蓄水位2 005.00 m，校核洪水位2 008.28 m，总库容6.2亿m3，死水位2 002.00 m，极限死水位1 995.00 m，为日调节水库。电站装机容量1 500 MW，保证出力492 MW，年发电量51.4亿kWh。设计洪水采用500年一遇，其洪峰流量为5 440 m3/s；校核洪水采用10 000年一遇，其洪峰流量为7 860 m3/s；保坝采用可能最大(PMF)洪峰流量为8 260 m3/s。

2 大坝材料分区及填筑情况

大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝顶长度429.00 m，坝顶宽度10.0 m，最大坝高132.20 m，上游坡1∶1.4，下游坡1∶1.3～1∶1.5。坝顶设有高度为5.80 m的“L”墙与面板相接，坝顶高程2 010.00 m。大坝填筑总量为467万m3。由于河谷狭窄，面板堆石坝与右坝头电站进水口衔接处以及与左坝头溢洪道衔接处分别设有38.00 m和50.00 m的高趾墙与大坝面板相连接。坝体填筑分垫层、过渡料、主堆石(块石及砂砾石)、次堆石等区。由于坝址区地质条件复杂，主体工程开挖后发现岩性变化大且规律性差，为了最大限度地利用枢纽工程开挖料，在主堆石区增设一强透水区，即将主堆石区3BⅠ分为3BⅠ-1和3BⅠ-2两个区，其中3BⅠ-1区具有自由排水的性质。面板为不等厚，厚度0.3～0.7 m，宽度为12 m，共分为38块。面板间设垂直缝，面板与趾板和高趾墙间设周边缝，坝顶防浪墙与面板间设水平缝，与两岸混凝土高趾墙间设伸缩缝。面板采用单层双向配筋，横向(平行于坝轴线方向)配筋为Φ16～Φ22@20 cm；纵向(垂直于坝轴线方向)配筋为Φ16～Φ28@20 cm，面板每向配筋率为0.3%～0.4%。面板混凝土设计采用525号普通硅酸盐水泥，为C25W12F200二级配混凝土。大坝典型横断面布置见图1。

图1 公伯峡水电站大坝填筑分区图 单位：高程，m；其它，mm

大坝2002年7月30日开始填筑，至2003年10月22日填筑至坝顶高程2 005.50 m，并预填筑0.30 m至2 005.80 m以备在面板混凝土施工前坝体沉降。面板混凝土施工2004年4月开始至2004年8月完工。

3 面板裂缝概况

在施工完成至水库下闸蓄水前对混凝土面板进行了多次裂缝检查，对检查发现的横向裂缝进行了处理。但在2006年1月16日进行单位工程验收时发现大坝混凝土面板在高程2 003.80～2 005.50 m(水位变动区)部分混凝土面板出现不同程度纵向裂缝，且两岸面板分布相对较多。2006年10月28日至11月16日，对水面以上(2 002.50～2 005.00 m高程)的面板裂缝进行了处理，处理方法采用SK抗渗防碳化涂膜对混凝土表面进行涂层。

2011年6月，电站管理方委托中国水利水电科学研究院对面板进行了裂缝检查，发现36块面板产生裂缝，绝大部分裂缝均在水位2 002.00 m高程以上，有部分伸入2 002.00 m高程水位线以下；骑缝钻芯结果表明，面板混凝土裂缝相对较深；延伸到2 002.00 m高程水位线以下的裂缝，垂直于面板方向的开裂深度在11～25 cm，裂缝表面宽、下部窄。从2011—2013年近2 a的观测资料看，裂缝有不断增多和发展的趋势。裂缝分布为靠右岸1～2号面板裂缝较少，3～7号面板裂缝3～5条，8～17号面板裂缝很少，从18号面板开始靠近左岸产生的面板裂缝较多，并且裂缝逐年增加，除20号面板上为横向缝，其余面板均为纵向裂缝，并延伸至2 002.00 m高程水面以下。面板的裂缝具有一定规律性：库水位2 002.00 m高程以上面板较多，延伸入2 002.00 m高程水面以下很少；面板左右岸部位裂缝较多，且左岸部位比右岸部位偏多，中间部位较少；面板裂缝逐年在增加，且冬季产生的面板裂缝远远大于夏季；面板产生裂缝的部位沿坝轴线方向对称分布或位于坝轴线方向面板的中间部位。根据对堆石坝面板延伸至2 001.59 m以下的6条面板裂缝水下检查的结果，裂缝最低延伸到1 996.50 m高程。水位变动区裂缝分布见图2。

4 面板裂缝成因分析

4.1 大坝安全监测情况

根据面板堆石坝内埋设的观测仪器搜集的资料进行了分析，成果如下。

(1) 混凝土应力

根据实测数据，通过变形法计算得到混凝土应力表明：面板基本处于受压状态，顺坡向最大压应力为11.4 MPa，出现在14号面板桩号左0+159.50 m、高程1 938.00 m处；拉应力区分布在面板上部即高程1 985.00 m以上，最大拉应力为4.39 MPa, 出现在5号面板桩号左0+052.50 m、高程1 991.50 m处。水平向大压应力分布在面板的中下部即坝左0+70.50 m～坝左0+165.50 m(7～15号面板)、高程1 930.00～2 000.00 m范围，最大压应力为7.12 MPa，出现在10号面板桩号左0+111.50 m、高程1 974.00 m处；拉应力区分布在面板上部靠左右岸区域，即高程1 985.00 m以上、桩号0+280.00 m以右及0+060.00 m以左，最大拉应力为2.52 MPa, 出现在5号面板桩号左0+052.50 m、高程1 991.50 m处。

图2 水位变动区裂缝分布见图

(2) 垂直缝

面板1 988.30 m高程中间受挤压，两侧受拉；1 970.50、1 952.70 m高程左侧受拉，中间和右侧受压；1 881.60～1 935.00 m高程垂直分缝均处于受压状态。各垂直分缝测点最大张开位移为4.30 mm，分缝开度变化主要发生在蓄水初期，之后趋于稳定。1 935.00 m高程以下沉降量较为明显，且随着深度的增加，沉降量增大；1 952.70 m高程以上沉降量较小或处于微抬状态。各垂直分缝测点竖向剪切量在下沉24.83 mm上抬2.58 mm之间，分缝竖向剪切变化主要发生在蓄水初期，之后趋于稳定。

(3) 周边缝

周边缝最大张开量、平面剪切量、下沉量分别为54.57、25.17、76.07 mm。周边缝变形主要发生在蓄水初期，之后变形趋缓，目前除右岸高趾墙处测点外，其余测点变形已基本稳定。右岸周边缝变形较大，大多超过设计标准(周边缝开合度、平面剪切、竖向剪切设计值分别为20、40、40 mm)，且目前尚未完全稳定。

(4) 坝体沉降、顺河向水平位移

坝体沉降主要发生在施工期及蓄水初期。2005年以后，坝体沉降多缓慢增大趋势， 2011年后大坝沉降量趋于平缓，但尚未完全稳定。截止2011年12月，大坝内部最大沉降为53.2 cm，其与坝高之比为0.40%。

坝体顺河向水平位移主要发生在水库蓄水初期，进入运行期后变化趋缓，从水库开始蓄水(2004年8月8日)至2011年12月13日，坝体顺河向水平位移累计向下游位移最大为172.42 mm，出现在坝左0+130.00 m断面、1 950.00 m高程上游侧。内部水平位移分布一般是左岸大于右岸；高高程大于低高程；同一断面，由于上游侧承受水荷载作用，下游侧受堆石体流变影响，故普遍表现为下游区和上游区位移较大，中部较小。

运行8 a后(到2012年)，观测表明面板最大挠度达到26.7 cm。

4.2 计算分析

面板产生裂缝的原因一般可分为结构性裂缝和非结构性裂缝。结构性裂缝主要是面板在外力作用下产生的裂缝，如坝体变形或水压力作用等；非结构裂缝最普遍是由混凝土干缩和温度应力产生的裂缝。根据大坝实测的变形数据，应用反演参数对坝体进行三维有限元结构计算，以及公伯峡现场观测资料及经验进行温度场模拟，对面板温度应力进行有限元计算，并综合考虑温度应力与结构应力的计算结果，以研究面板裂缝的产生原因。

(1) 面板结构应力变形及其对裂缝的影响

应用反演计算参数对坝体进行三维有限元结构计算的成果表明，蓄水期面板沿垂直面板法向最大挠度为20 cm(上游面)；周边缝最大张开11.8 mm(底部偏左)，最大平面剪切位移6.4 mm(右岸)，最大竖向剪切位移12.9 mm。从沿面板坝轴线方向的应力分布规律来看，蓄水期由于两岸坝体向河谷中间的变形，从而带动河床中间段面板向沟谷中间的挤压变形，表现为压应力，并向两侧逐渐减小；而在坝体向河谷拖拽过程中，两岸山体对面板产生约束作用，所以两岸段面板表现为拉应力。在蓄水期，面板坝轴向压应力发生在主坝最深处面板靠近河谷段，上、下游侧最大值分别为8.4 MPa和7.7 MPa(10号面板的中部附近)；经过8 a的蓄水运行，坝体不断向河谷中间变形，河谷段面板压应力略有增大，上、下游侧面板最大值分别为8.7 MPa和7.7 MPa。在两岸山体对面板的拉拽作用下，坝顶部面板原本没有发生坝轴向应力的地方产生了2 MPa左右的拉应力，主要位于蓄水位之上坝顶部右岸靠近山体的面板，局部最大拉应力达到了6 MPa。超过面板抗拉强度而产生裂缝。

面板顺坡向最大压应力发生在主坝河床最深处面板的中部附近(10号面板的中部附近)，上、下游侧顺坡向应力最大为3.6 MPa。同时计算发现，面板顶部产生一定脱空，河床部位面板顶部最大脱空达20 mm，因此堆石体流变对面板产生较小摩擦力应力。

结构计算还表明，右岸基础较陡，面板轴向拉应力大，最大轴向拉应力出现在右端面板顶部；而左半部面板大部分处于受拉状态，范围较右部大，故产生裂缝多。

(2) 温度应力对面板裂缝产生的影响

公伯峡大坝地处气候条件恶劣的西北地区，温度应力对面板裂缝产生的影响大。计算表明,在施工期春季浇筑面板，考虑昼夜温差(14.2 ℃)，面板表面拉应力最大值达1.0 MPa，略超初期混凝土抗拉强度，可能引起面板表面细微裂缝。蓄水初期，库水位达到2 005.00 m时引起温降，对库水位附近影响较大，拉应力最大增幅0.7 MPa，在施工期及蓄水初期阶段，面板积累了1.0～1.5 MPa的施工期和蓄水期应力。

在运行阶段冬春期(4、5月居多)遇寒潮，考虑“寒潮+昼夜温差”，在水位以上面板顶部表面至1/4厚拉应力可达2.4～2.3 MPa，超过抗拉强度(2.3 MPa)，产生表面裂缝，对于水位以下部分受寒潮影响较小，小于混凝土抗拉强度，面板未产生裂缝。在冬季严寒低温气候条件下，月均最低气温达-13.4 ℃，在水位以上，面板表面至1/2厚拉应力可达2.63～2.36 MPa，超过抗拉强度，面板产生裂缝，裂缝深度可达1/2厚处，水位以下面板拉应力均未达到抗拉强度。因此在冬春遇寒潮或严寒低温的冬季，产生的温度应力，均可使水位以上的面板开裂。而在夏季高温时，面板所受温度应力较小，均小于抗拉强度，高温气候不会造成面板破坏和裂缝产生。

综合施工期、蓄水期、运行期整块面板温度应力情况，在水位以上面板温度应力较大，最大值达到2.9 MPa，在2 005.00 m附近温度应力达到2.8 MPa，对单块面板温度应力，基本呈中间大、两边小的分布，与裂缝出现在中间相符。

经过对河床中间面板水位敏感性分析表明，长期在2 005.00 m运行水位时，2011年冬夜，水位附近面板温度应力最大且轴向(水平向)应力比顺坡向(垂直向)应力大，分别达到2.48 MPa和1.15 MPa，其比值达2.16∶1，在轴向拉应力占主导情况下易产生纵向裂缝。当蓄水位在 2 000.00、1 990.00、1 950.00 m时，最大拉应力坝轴向和顺坡向分量比值分别为2.09∶2.48、2.05∶2.41、1.98∶2.32，3种工况下的最大拉应力都以顺坡向(垂直向)拉应力为主，可能将产生水平向裂缝性态破坏形式。由此可见，面板横缝和纵缝之间的转变并非随蓄水位线性变化，当变动水位相对于面板单宽达到某极小值时，裂缝的呈现形态将由横向突变为纵向。综上所述，公伯峡极小水位变动区(3 m)使面板遭受温度最大拉应力基本为轴向(水平向)拉应力，导致面板出现纵向裂缝。

4.3 面板裂缝成因

综合分析结构应力和温度应力对面板裂缝的影响，从蓄水初期至今，顶部面板在某次寒潮来袭或者冬季持续低温的天气条件下，受到的温度拉应力超过了抗拉强度，温度应力最大值为坝轴向且发生在单块面板中间，所以最先在每块面板中间位置产生了纵向裂缝；运行多年后，由于坝体土石材料的流变，面板结构应力有所增加。两岸面板结构拉应力的增加，进一步促进了两岸面板的裂缝发展，使两岸面板裂缝的数量增多；而对于中间河床面板，结构应力表现为压应力，在一定程度上抵消了一部分由温度骤降和持续低温造成的温度拉应力，使中间面板已产生的裂缝不再发展。这符合面板裂缝“两岸多，中间少”的规律。

综上所述，温度应力是导致面板产生裂缝的主要因素，结构应力在流变过程中增加进一步促进了两侧面板裂缝的发展，为推动因素。

5 结 语

公伯峡水电站从2004年8月蓄水至今已安全运行了11 a，水位变动区混凝土面板产生纵向裂缝，主要由于大坝处于严寒地区，昼夜温差较大，白天气温高，水面以上的面板受热膨胀；夜晚，温度降低，水面以上的面板收缩，但水面以下面板基本处于恒温状态，在水面线附近温度梯度较大，水下面板会限制水上面板的冷缩，同时堆石体的摩擦力也会限制面板的冷缩，当遇寒潮侵袭时，表面混凝土拉应力超过混凝土抗裂能力，导致面板产生纵向裂缝。

为提高混凝土面板运行的耐久性，需对面板裂缝进行处理。为防止面板裂缝进一步产生和发展对2 002.00 m水位以上面板采取必要的保温措施。

参考文献:

[1] 陈念水.公伯峡水电站工程枢纽总布置[J].西北水电,2005,(1):26-29.

[2] 黄河公伯峡水电站面板堆石坝安全监测资料分析报告(截至2013年4月)[R].西安：中国水电顾问集团西北勘测设计研究院,2013,7.

[3] 公伯峡水电站面板裂缝成因和危害性分析报告[R].国家电力监管委员会大坝安全监察中心、河海大学，2013,7.