超长服役期混凝土坝安全性态评估——以凰窝水库大坝为例

周凤杰，徐正飞，张旭漫

（1.南京水利科学研究院，江苏南京 210000；2.连云港市水利局，江苏连云港 222000）

混凝土坝是常见的水利工程建筑物，随着服役时间的增加，其服役性能会逐渐降低［1-2］，坝体会出现裂缝、老化、破损等现象，严重时甚至会诱发溃坝，威胁下游人民生命财产安全［3-4］，因此，对超长服役期的混凝土坝定期进行安全性态评估十分必要。

由相关行业规范标准［5］可知，大坝安全评价涉及水库质量评价、运行管理评价、防洪安全评价、渗流安全评价、结构安全评价、抗震安全评价、金属结构评价等内容，强度和稳定是评价混凝土坝结构安全性态的两个重要方面。现用于大坝强度和稳定分析的方法有材料力学法和有限元分析法，但在以往的计算分析中，很少考虑含裂缝的结构强度和稳定分析及爆炸冲击应力对超长服役期坝体安全性态的影响。

本研究以抗日战争期间受投掷炸弹爆炸冲击而产生裂缝的超长服役期凰窝水库大坝为例，首先通过现场检查情况，分析裂缝成因、扩展趋势以及对混凝土坝正常运行的影响，再结合材料力学法计算含裂缝混凝土坝强度及稳定情况，并采用扩展有限元法计算分析爆炸冲击波应力对坝体安全性态的影响，最终对凰窝水库大坝进行安全性态综合评估。

1 工程概况

凰窝水库位于江苏省连云港市连云区，现状总库容36.8 万m3，是一座集防洪、备用供水和生态功能为一体的小（2）型水库。水库流域长约1.0 km，流域集水面积1.9 km2，干流比降0.0727。按20年一遇洪水设计，设计洪水位205.60 m；按200年一遇洪水校核，校核洪水位206.30 m；正常蓄水位同溢洪道堰顶高程为205.00 m。

凰窝水库主、副坝均为混凝土重力坝，坝长分别为110 m 和26.60 m，最大坝高28.21 m，坝顶高程191.06 m，挡浪墙顶高程192.06 m。主坝坝体迎水面高程182.96 m 以上部分竖直，以下部分坡度为1∶0.06，背水面采用台阶型式，坡度为1∶0.7，坝顶宽度1.09 m；副坝迎水面竖直，背水面坡度1∶0.75，坝顶宽度1.09 m。坝体底部设置内部廊道，廊道横断面为城门洞型，位于高程169.00 m 处，断面尺寸为2.4 m×2.7 m（宽×高），其布置如图1所示。

2 裂缝现场检查情况

战争期间投掷的炸弹爆炸冲击导致大坝右岸坝体产生裂缝。大坝上游面、坝顶存在较多裂缝，根据现场调查统计，主要裂缝情况如表1所示。

表1 坝体混凝土裂缝汇总（库水位200.80 m）

由表1可知，主坝、副坝及主副坝结合部位存在多条裂缝，副坝上游面裂缝分布如图2 所示。主副坝结合部位的结构缝止水存在破损，且缝内充满杂草、漂浮物（图3），这表明在高水位时可能是渗水通道。主副坝结合部位裂缝（图4、图5）近几年来较为稳定，未发现有明显的缝口张开、坝体错位增大的趋势。

图2 副坝右岸坝段上游面裂缝分布

图3 主副坝交界处表面裂缝

图4 主副坝交界处开裂

图5 主副坝交界处结构缝

3 含裂缝混凝土坝强度和稳定计算

3.1 材料力学法

3.1.1 计算原理

计算坝体应力时，沿坝轴线取单位宽度的坝体作为固接于地基上的变截面悬臂梁，按平面问题计算。力的方向规定如下：水平力以向下游为正，铅直力以向下为正，力矩以逆时针为正，正应力以压为正。依据《混凝土重力坝设计规范》（SL319—2018），用材料力学法计算大坝的强度，复核大坝的强度性态，计算公式为

依据《混凝土重力坝设计规范》（SL319—2018），用材料力学法计算大坝的抗滑稳定安全系数，计算公式为

式中：K为抗滑稳定安全系数；f为滑动面上抗剪摩擦系数；∑W1为作用于滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和；U为作用于滑动面上的扬压力；∑P为作用于滑动面以上的力在水平方向投影的代数和。

3.1.2 计算工况及计算参数

根据《水库大坝安全评价导则》（SL258—2017）中的相关规定和凰窝水库大坝工程实际情况。选取基本组合和特殊组合两种工况对含裂缝混凝土坝的强度和抗滑稳定进行计算。其中，基本组合考虑设计洪水位（206.19 m）开展计算，特殊组合则考虑校核洪水位（206.54 m）进行计算，两种工况的荷载均为各自水位下的水压力、扬压力、浪压力和坝体自重。工程中未设置防渗帷幕和排水设施，扬压力按照无防渗排水措施时的三角形分布计算。混凝土容重取24.0 kN/m3，泊松比取0.167。

3.1.3 计算结果及分析

主坝、副坝材料力学法计算简图见图6，计算荷载见表2，应力计算结果见表4，稳定计算结果见表5。

表2 主坝、副坝计算荷载

图6 主坝、副坝材料力学法计算简图

根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319—2018），运用期重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应满足在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力不应大于坝体混凝土容许压应力，并不大于基岩容许承载力。由表3中的强度分析结果可知，在两种荷载工况下，主坝、副坝坝踵处未出现拉应力，坝趾处压应力小于坝体混凝土容许压应力和基岩容许承载力，故主坝、副坝满足强度要求。

表3 主坝、副坝应力计算成果

根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319—2018），坝基面抗滑稳定安全系数K值在基本组合工况下不应小于1.05，特殊组合工况下不应小于1.00，由表4 中的稳定计算结果可知：主坝、副坝的抗滑稳定系数满足规范要求。

表4 主坝、副坝稳定计算成果

3.2 有限元计算

3.2.1 有限元模型建立

根据主坝、副坝的实际情况，计算范围取为：上游和下游分别取1.5 倍坝高，坝基取1.0 倍坝高。X方向以坝轴线为坐标原点，Y 方向以高程为坐标。主坝共计7 380个单元，副坝共计768个单元。根据炸弹的实际情况，其大小设计为30 cm×10 cm×10 cm（长×宽×高）。X 方向以轴线为坐标原点，Y 方向以高程为坐标，共计360 个六面体八节点单元。创建主坝、副坝及炸弹三维有限元网格图见图7。

图7 主坝、副坝及炸弹的三维有限元网格图

根据现场实测数据，混凝土大坝各分区的物理力学参数见表5。选取92式步兵炮的炮弹作为轰炸炮弹的型号，92 式步兵炮采用弹重为3.8 kg 的高爆弹，不考虑炮弹外壳重量等影响因素，则本次模拟采用的TNT当量为3.8 kg。

表5 三维有限元计算分析参数

3.2.2 有限元计算结果及分析

根据ABAQUS 有限元模拟软件计算分析，此次爆炸的应力图见图8。

图8 爆炸应力分布

由图8 可知，此次爆炸冲击主要影响主副坝结合处坝体，即大坝右侧顶端。爆炸产生的冲击波最大应力发生在大坝的右端顶部，应力达到4.69×105Pa。当爆炸位于离大坝较近的空中时，会在爆炸中心附近出现小范围的表层破坏，对大坝整体只有很小的影响。本次爆炸可近似认为近场空中爆炸，爆炸应力主要作用在大坝的主副坝结合处，主要位于混凝土坝坝顶部位，因此坝顶为大坝范围内较薄弱位置。

4 结 论

4.1 结论

（1）由现场检查情况，凰窝水库大坝主坝、副坝及主、副坝结合部位有多条裂缝，且高水位时为渗水通道，影响结构耐久性，对大坝安全不利。

（2）经采用材料力学法计算，主、副坝坝踵位置未出现拉应力，坝址处压应力满足规范要求，抗滑稳定系数K值满足规范要求。

（3）经采用有限单元法计算分析，由爆炸产生的最大应力达4.69×105Pa，发生在大坝的右部顶端，因此混凝土坝坝顶位置应为重点关注的薄弱部位。

4.2 建议

尽快进行除险加固、消除安全隐患，主要措施如下：

（1）修补处理坝体裂缝和结构缝止水，补强上游面破损的防渗砂浆和下游坝面老化破损的混凝土，提高大坝结构整体性和防渗体系完整性。

（2）隐患消除前采取控制运用措施，加强检查监测与应急管理，保障水库大坝安全。

（4）由于混凝土坝老化现象严重，且坝体存在多条裂缝，工程存在严重的安全问题，凰窝水库大坝最终应评估为“三类坝”。