高拱坝横缝灌后二次张开现象成因及处理

程 立，武 明 鑫，赵 全 胜

(水电水利规划设计总院，北京 100120)

0 引 言

近年来，中国已陆续建成二滩、拉西瓦、大岗山、构皮滩、小湾、锦屏一级、溪洛渡、乌东德、白鹤滩等多座超200 m级高拱坝，杨房沟高拱坝已全线浇筑到顶，叶巴滩、孟底沟、旭龙特高拱坝也已开始建设，可见中国高拱坝的勘察、设计、施工及科研水平已领跑世界[1]。但在大岗山、锦屏一级、溪洛渡、杨房沟、白鹤滩等高拱坝建设过程中，出现的横缝接缝灌浆后二次张开现象仍然困扰着工程建设。横缝灌浆后二次张开，开度过大、处理不及时可能破坏横缝止水，造成坝体渗水、水力劈裂破坏，也可能造成局部应力集中，影响拱坝变形协调和整体受力。

常规混凝土高拱坝受温控防裂、浇筑强度等限制，坝体混凝土一般采用分缝浇筑，由多条径向或近似径向的横缝将拱坝分为若干坝段，其中高拱坝横缝间距(坝段宽度)宜为15～25 m，横缝面应设键槽并埋设灌浆系统[2]。待坝体混凝土温度冷却至设计封拱温度后，混凝土得到充分收缩，横缝张开值亦趋于稳定，再进行接缝封拱灌浆。在封拱灌浆前，已接缝高程以上坝段为悬臂梁结构受力形式，承受荷载以混凝土自重为主，温度应力次之。封拱灌浆后，已接缝各坝段整体受力，拱坝受力状态可简化为“拱、梁分载”模型。蓄水后拱坝承受荷载主要包括混凝土自重、水荷载和温度应力。

高拱坝建设周期长，通常采用分高程分区接缝灌浆和分阶段蓄水，大坝施工和加载过程复杂，横缝的开合状态、灌浆时机及传力机制是拱坝工作性态的关键问题之一，也是工程和学术界关注的重点。朱伯芳[3]提出通过有限厚度接缝单元分析横缝对拱坝工作状态的影响，认为带有键槽的横缝灌浆后对坝体应力和变形的影响是很小的。张汉云等[4]研究了横缝键槽对坝体应力变形及横缝开度的影响，认为横缝间摩擦系数对坝体整体应力变形影响不显著。周伟等[5]、樊启祥等[6]、韩晓凤等[7]基于有限元法，提出不同的横缝缝面模型，模拟了横缝随施工过程中混凝土温降和蓄水位上升的开合过程，并对提高横缝可灌性提出了建议。孙林松等[8]、李建新等[9]则分别使用线性互补模型和GAP单元，模拟了横缝的“初始间隙”质量问题对拱坝应力位移的影响。张国新等[10]分析了拉西瓦拱坝在夏季接缝灌浆对坝体温控及应力的不利影响，并提出了加强混凝土浇筑时表面保温等应对措施。

针对横缝灌后二次张开现象机理及影响，现已开展的系统性研究不多，尚未有统一的结论。如杨骁勇等[11]、汤荣等[12]基于监测资料对横缝二次张开原因进行了分析，认为坝体施工期向上游倾斜变形、温度影响、施工扰动等均是横缝二次张开的原因。也有学者基于数值仿真对横缝增开影响因素进行了模拟，胡昱等[13]认为缝面蓄能过多、通水检查等是二次横缝增开的主要成因；李梁等[14]认为二次张开受施工扰动影响较大，且自生体积变形、徐变也是内部因素。

本文通过调研大岗山、杨房沟、锦屏一级等高拱坝建设过程中横缝接缝灌浆后二次张开现象，并对其处理措施、张开原因及影响等进行系统的总结分析，以为后续类似高拱坝建设提供参考。

1 高拱坝横缝二次张开实例

1.1 大岗山拱坝

大岗山拱坝最大坝高210 m，坝顶高程1 135.00 m，大坝混凝土设计浇筑量315万m3。坝体共设置28条横缝，横缝间距约22 m。接缝灌浆共分21层，计365个灌区，灌区高度9～12 m。2011年9月下旬大坝混凝土开始浇筑，2014年10月底混凝土全线浇筑到顶。2014年12月导流洞下闸，2015年5月底导流底孔下闸，大坝浇筑到顶后在较低水位运行约6个月(最高水位约1 015.00 m)，2015年10月底蓄水至正常蓄水位1 130.00 m。

大坝接缝灌浆后至导流底孔下闸前，横缝增开度在-0.58～1.63 mm之间，其中闭合缝面占比 39.8%，增开度小于0.1 mm占比32.3%，在0.1～0.3 mm之间占比16.5%，大于0.3 mm占比11.4%(大于1.0 mm占比0.7%)[15]。横缝灌后二次张开灌区主要位于高程1 030 m以下和1 054～1 090 m之间，其中深孔部位横缝增开较明显，增开度大于1.0 mm测点全部位于坝体中间高程12～16号灌区；且横缝上游侧增开测点居多，占比76.8%，其次为下游侧，中部缝面基本无增开现象。

对大岗山拱坝横缝灌浆后有2个及以上测点增开度大于0.3 mm，和廊道附近有测点增开度大于0.3 mm 的灌区进行补灌处理；单测点增开度大于0.3 mm但不在廊道附近的灌区不需另行处理。大部分灌区使用湿细磨水泥浆液补灌，个别灌浆困难灌区采用化学灌浆。补灌后测缝计增开度变化量在-0.75～1.10 mm 之间，其中64.5%测点灌后变化量在±0.05 mm以内。

导流底孔下闸后，随着库水位上升，监测资料表明坝体横缝主要为压紧或接触状态(开合度小于0.125 mm)，大部分测点呈闭合趋势。随着坝前水位抬高，坝体拱作用凸显，横缝主要表现为压紧或闭合状态，运行状态正常。

1.2 杨房沟拱坝

杨房沟拱坝最大坝高155 m，坝顶高程2 102.00 m，坝体混凝土总方量86万m3。坝体共设置16条横缝，横缝间距19.0～22.5 m。接缝灌浆共分16层，152个灌区，灌区高度7.5～14.0 m。2018年10月大坝混凝土开始浇筑，2020年12月混凝土全线浇筑到顶。2020年12月底导流洞下闸蓄水，2021年7月首次蓄水至正常蓄水位2 094.00 m[16]。

横缝接缝灌浆后，监测发现坝体横缝存在较明显的二次张开现象，测缝计灌后增开值分布见图1。92.4% 测缝计监测到的增开度在0.3 mm以内，4.2%测缝计实测到的增开度在0.3～0.5 mm之间，3.4%测缝计实测到的增开度大于0.5 mm(见图1)。横缝出现灌后二次张开的部位主要位于4～13号横缝的第1～9层灌区；横缝同一高程的开度沿上游、中部、下游呈递减趋势。

大坝横缝二次增开度较大且集中的部位有3处，且均有短时开度突变现象：9号横缝最底部4个灌区增开度最大达2.03 mm，主要发生在2019年12月6～14日，期间增幅1.50 mm；11号横缝最下部4个灌区增开度最大达1.96 mm，主要发生在2020年6月12～20日，期间增幅1.80 mm；12号横缝第9层灌区增开度最大达2.00 mm，主要发生在2020年9月4～12日，期间增幅达1.70 mm。

对于第1～4层灌区所有二次张开横缝和第5～10层灌区测缝计灌后增开度不小于0.3 mm的横缝，采用环氧树脂进行了补充化学灌浆。横缝二次张开区域共检查了75个灌区，按要求对其中22个灌区进行了环氧树脂补灌处理。

补灌注入量换算开度值占补灌开度值的10.9%，换算面积平均值占设计灌区面积平均值的19.4%，表明横缝二次张开是个别灌区的局部现象。补灌后横缝增开度变化量在-0.61～0.14 mm之间，横缝总体呈压缩状态。2020年底启动第一阶段蓄水后，监测结果表明横缝也进一步呈压缩状态。

1.3 锦屏一级拱坝

锦屏一级拱坝最大坝高305 m，坝顶高程1 885 m，大坝混凝土设计工程量476.5万m3。坝体共设置25条横缝，横缝间距20～25 m。2009年10月下旬大坝混凝土开始浇筑，2013年12月底混凝土全线浇筑到顶。2012年11月导流洞下闸蓄水，2014年8月蓄水至正常蓄水位1 880.00 m。

大坝浇筑过程中，2011年8月上旬、11月上旬和12月上旬，左岸10号横缝测缝计连续产生3次突变，突变值分别为1.10～2.88 mm、0.63～1.71 mm和0.56～1.05 mm[11]。最后一次突变时，接缝灌浆至高程1 691 m，突变的影响范围为高程1 675.7～1 747.7 m，其中下部已灌区域部分横缝产生二次张开，最大量值在0.5 mm以上。

技术人员对10号横缝出现二次张开的4个灌区采用了化学灌浆补强处理。蓄水及运行阶段，10号横缝各测缝计开度均无明显变化。

2 横缝二次张开成因探讨

拱坝横缝接缝灌浆浆液一般为水泥浆，粘结能力有限，抗拉强度较低，易受扰动而张开，而拱坝作为超静定结构，承受荷载情况十分复杂，因此横缝二次张开的原因可能较多，下文分别从坝体不利应力状态、附近区域施工扰动、环境温度影响及混凝土自生体积变形4个方面展开分析。

2.1 坝体不利应力状态

在建设期空库，或低水位和部分坝段悬臂高度较大时，高拱坝坝体应力状态以梁向应力为主，拱作用较小，坝体向上游倾倒，缝面压应力较小，处于不利受力状态。这是外部施工、环境温度等条件稍有扰动的情况下缝面开度发生变化的内在原因。随着大坝蓄水，坝前水位抬高，不利应力状态会随之改善，横缝二次张开的可能性及影响会降低。

一般来说，坝体倒悬的影响范围主要为河床中部坝段的中低高程；蓄水后随着坝前水位抬高，坝体受力情况会得到明显改善，横缝呈压紧趋势。如图2所示，白鹤滩拱坝有限元计算成果表明，在空库工况上游坝面主拉应力量值虽然较小，但拉应力范围较大，主要分布在中部坝段中低高程；正常蓄水位时，上游坝面普遍受压，仅坝踵局部存在小范围拉应力区[17]。

大岗山拱坝施工期监测结果也表明蓄水前大坝有向上游倾斜变形的趋势。大坝倒悬导致坝体最大应力变形均发生在底孔坝段上游侧，而底孔部位横缝灌后二次张开情况也明显多于其他部位，且量值较大。

杨房沟拱坝有限元计算表明，倒悬作用明显的区域集中在高程1 970～2 000 m区间，且对9号横缝张开影响最大；再叠加温度荷载作用，上下游面附近及灌区交界面有局部拉应力，发生在坝体表面。监测表明，二次张开横缝在同一高程的增开度沿上游、中部、下游呈递减分布，这与拱坝倒悬的受力状态是一致的。

在施工过程中，锦屏一级拱坝发生二次张开的10号横缝左右两侧坝段形成高差最大近70 m的高悬臂，恶化了横缝处应力状态。

拱坝受力状态和横缝开度的关系亦可参考二滩拱坝横缝案例[18]。二滩拱坝最大坝高240 m，坝顶高程1 205.00 m，在完成高程1 175 m以下接缝灌浆后导流底孔下闸，坝前水位快速升高导致高程1 175～1 190 m之间的横缝尚未灌浆就被压紧，难以继续接缝灌浆。最后采取了对未灌区域14～26号坝段浇筑超冷混凝土(比设计温度低3.6 ℃)、降低坝前库水位(1 155.00～1 160.00 m)、提高灌前泵送水压力(≤2 MPa)和灌浆压力(2.5～2.7 MPa)等措施，横缝开度增加后方完成了后续接缝灌浆。该案例实际上是横缝灌后二次张开的一种反例，进一步表明及时蓄水有助于避免或缓解横缝二次张开现象。

因此，高拱坝在完成中下部高程封拱灌浆且没有蓄水之前，是相对不利的受力工况，对坝高200 m级的特高拱坝来讲，此时完成封拱高度基本已超过100 m。该阶段的拱坝临时体型在前期设计阶段就应引起关注，进行坝体应力状态复核。施工阶段，要根据拱坝建设实际体型，加强监测和计算复核，并在具备条件时，应尽早破堰抬升坝前水位，改善坝体应力状态，有效降低横缝二次张开等不利影响。

2.2 附近区域施工扰动

相邻灌区接缝灌浆、附近坝基固结灌浆或帷幕灌浆的施工工艺控制不理想，出现灌浆异常情况是灌后横缝二次张开的主要因素，且开度值具有“突变”特征。

在大岗山拱坝，2012年11月中旬14号横缝附近坝基帷幕灌浆施工导致14号横缝低高程的4个灌区横缝增开值突变，最大约1.16 mm(见图3)；2014年2月下旬，21号坝段11号灌区接缝灌浆过程中下部已灌的10号灌区增开度发生突变，11号灌区接缝灌浆结束后，10号灌区增开度开始稳定。

在杨房沟拱坝，2019年12月9号横缝最底部4个灌区开度突变时，相邻坝基正在进行帷幕灌浆施工，其中紧邻9号横缝的主帷幕孔灌浆量明显偏大(见图4)。

锦屏一级拱坝二次开度突变时机也与横缝接缝灌浆施工和压水检查有一定关联。

综合分析大岗山、杨房沟、锦屏一级等拱坝横缝测缝计监测数据，部分横缝的灌后二次张开主要是由一次或多次突变组成，突变时间与临近区域的接缝灌浆、固结灌浆、帷幕灌浆等施工存在一定重合。且施工因素造成的横缝灌后二次张开现象一般具有测值突变、量值较大且变形难以恢复的特征。

另一方面，工程实践中横缝二次张开是部分高拱坝出现的个别现象，说明目前高拱坝横缝接缝灌浆及坝基固结灌浆、帷幕灌浆的施工工艺、参数及检查方法是符合工程实际情况的。但在各类灌浆施工过程中若出现灌浆失压、管路堵塞、注水或注浆压力过大等异常情况，可能会触发临近区域已灌横缝的二次张开。因此，在已灌横缝附近进行各类灌浆施工时，应注意施工过程质量控制，出现异常情况及时处理。

2.3 环境温度影响

目前高拱坝施工已普遍引入智能温控系统，温控质量达到较高的水平，同时横缝接缝后混凝土内部温度也有一定回升[19-20]，拱坝表面保温技术也不断提高，正常情况下混凝土内部温度变化不会是横缝二次张开的主要原因。例如，杨房沟拱坝混凝土施工引入智能温控系统，坝体混凝土温度控制效果良好，封拱温度均满足设计要求，灌后混凝土内部温度略有回升，总体较为平稳，无明显异常。

但若坝面局部保温功能失效，并遇上较大的突发寒潮时也可能使坝面局部温度突降，坝体混凝土收缩，进而造成坝内横缝二次张开，此时主要是横缝靠近坝面部位张开，而横缝测值相对稳定。另外夏季接缝灌浆时外部环境温度高，也可能会诱发横缝二次张开。

大岗山拱坝在2013年11月入冬后，多支已灌区横缝的测缝计监测到的开度持续增大，且测值发生较大变化的测缝计均位于横缝偏上、下游侧，距离坝面约3～4 m，中间部位测缝计数据变化较小。现场监测还发现，部分在夏季高温季节进行接缝灌浆施工的横缝灌后增开度达到0.3 mm，表明高温季节进行横缝灌浆施工，灌后坝段混凝土收缩更明显，直接影响灌后横缝二次张开。张国新等[10]研究了拉西瓦拱坝灌浆时机，认为夏季灌浆坝块表面温差及温差沿横缝的梯度均大于其他季节，夏季灌浆坝块表面拉应力最大值达2.25 MPa，可造成横缝二次张开，但可通过封拱灌浆时洒水喷雾冷却、加强混凝土表面保温等措施解决。

针对高温季节进行接缝灌浆的相关要求，SL 282-2003《混凝土拱坝设计规范》规定“高温季节进行坝段接缝灌浆时，应做好坝体表面保温”。近年来随着大坝混凝土温控和表面保温技术水平的不断提高，现有规范已取消了相关规定。但是在高温季节灌浆时，仍应高度重视混凝土温控措施，加强混凝土表面保温工作。

2.4 混凝土自生体积变形

混凝土自生体积变形可能是横缝灌后二次张开的影响因素。试验成果表明：大坝混凝土自生体积变形特征一般为先收缩后膨胀，若接缝灌浆后自生体积变形仍处于收缩状态，也可能造成横缝二次张开现象。混凝土自生体积变形随龄期的变化特征与水泥、骨料、粉煤灰、外加剂等特性及掺量密切相关[21-22]，需结合不同工程实际情况具体分析。工程实践中，应尽量选择后期自生体积变形具有膨胀特性的水泥。

3 处理效果及影响分析

从接缝灌浆机理和拱坝坝体受力的角度分析，由于灌浆难以提供与坝体混凝土相当的抗拉强度，本质上接缝灌浆不在于对相邻坝段进行“粘结”，而是起到对横缝进行“充填”保护的作用，进而在蓄水时坝体充分发挥拱作用，并控制变形。

对于灌后二次张开的横缝，如不进行补充灌浆以充填横缝，在蓄水前留下初始“间隙”，在蓄水后该横缝也会受到压力呈压紧趋势，但相比于大坝接缝后“拱梁分载”的整体受力，会呈现“先梁后拱”的受力过程，即梁向荷载会偏大。另外在横缝闭合压紧的变形过程中，大坝发生的是非弹性变形，局部可能会产生应力集中或变形偏大，间隙位置不对称还可能造成大坝整体变形不对称[8]。另一方面，库水沿着“间隙”深入横缝内部，则可能破坏止水结构形成水力劈裂，破坏坝体完整性。

在大岗山、杨房沟、锦屏一级等拱坝发现横缝灌后二次张开后，均及时进行了补充灌浆处理。本身横缝二次张开就是局部现象，增开度比较小，连通性和可灌性也较差，大岗山和杨房沟拱坝以张开度0.3 mm为标准，对部分横缝增开的灌区进行了湿细磨水泥浆液或化学灌浆补灌，锦屏一级拱坝也针对开度异常的横缝进行了补充灌浆。补灌处理后，几个工程均顺利蓄水，横缝呈压紧状态，大坝工作状态正常。

4 结论与建议

(1) 高拱坝横缝接缝灌浆后二次张开现象是由坝体在空库或低水位的不利受力状态时，临近区域施工扰动、环境温度、混凝土自生体积变形等一种或多种因素造成。目前通过采取细磨水泥灌浆或化学灌浆进行补强，可达到较好的处理效果，蓄水后坝体横缝将进一步挤压，不影响拱坝蓄水及长期运行安全。

(2) 空库倒悬是拱坝的相对不利受力状态，该状态下坝面拉应力或低压应力区范围较大，可能导致横缝二次张开，甚至坝面产生裂缝等。对于高拱坝在该施工阶段的临时体型，在前期设计阶段就应引起关注，进行必要的坝体应力状态复核。拱坝建设过程中应做好大坝混凝土浇筑、接缝灌浆及蓄水规划的协调工作，及时结合拱坝实际荷载情况进行受力状态分析。在具备条件时，尽早启动基坑进水、抬升坝前水位，及时接缝灌浆、避免相邻坝段悬臂高差过大，使坝体处于较理想的受力状态。

(3) 横缝灌后开度测值发生突变，可能是由临近区域接缝灌浆或坝基固结灌浆、帷幕灌浆的施工、压水扰动造成。随着施工质量水平的提高，目前各类灌浆的工艺、参数及质量检查措施是符合工程实际情况的，横缝二次张开现象是在灌浆施工过程中出现管路堵塞、灌浆压力过大等异常情况造成的个别现象。在横缝临近区域灌浆时需加强施工工艺控制和质量管理，出现异常情况及时处理。

(4) 拱坝混凝土浇筑后，应及时张贴表面保温板并在寒冷季节加强巡视维护，防止气温骤降引起坝面横缝二次张开。若高温季节进行接缝灌浆，需根据工程具体的气温条件，制定合适的混凝土表面保温及冷却养护措施，尽量采用智能温控系统，并在灌浆施工时采取喷水冷却等措施降低辐射温度，防止冷热倒灌。

(5) 发现横缝灌后二次张开现象时，应及时查明缝面实际张开情况，研究补灌处理措施，优先采用磨细水泥进行补灌。化学灌浆材料弹模远小于水泥材料，只能起到填充作用，不利于大坝变形协调，只用于对难以处理的局部细小缝隙进行灌浆填充。对于二次增开度小于0.3 mm的局部缝面，研究后可以建议不作处理。