白龙潭水库大坝混凝土面板裂缝调查及成因分析

林 玲，周海啸，翁晓霄，霍吉祥

(1.温岭市农业农村和水利局，浙江 温岭 317500；2.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程国家重点实验室，江苏 南京 210029)

1 工程概况

白龙潭水库位于温岭市箬横镇晋岙村朱家里，金清港一级支流运粮河支流思里溪上，工程任务主要是为箬横镇供水。水库大坝的洪水标准采用30年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。工程总库容1.595×106m3，属小(1)型水库。水库主要建筑物为拦河坝、泄水建筑物、输水建筑物，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物级别为4级。

大坝为细骨料混凝土砌块石重力坝，坝顶高程102.00m，最大坝高30.0m，坝顶宽4.0m，长度128.26m。坝体上游面高程85.00m以上为直立面，高程85.00m以下坡度为1∶0.2。上游面设置C25W6F100混凝土防渗面板，在高程85.00m以上厚1.0m，以下渐变为3.16m；坝基设C15基础混凝土垫层，厚1.5m；其余部位均为C15细骨料混凝土砌石。施工过程中砌石坝体先于防渗面板施工，防渗面板的浇筑略低于坝体面。面板随坝体砌石施工而组织施工，每个坝段的面板分层平衡上升，每层浇筑高度控制在3.5m左右。

大坝混凝土面板浇筑于2015年12月完成，由于多种原因一直空库运行，后于巡查过程中发现各坝段不同高程处上游面板存在较多裂缝，可能对工程安全产生不良影响。因此，对面板裂缝分布特征进行检测和统计，分析其产生的主要原因，对于之后针对性补强保障大坝蓄水安全具有重要意义[1-3]。

2 裂缝分布普查

白龙潭水库上游混凝土面板自坝顶至坝底可分为9层，其对应高程如下所示：①一层：高程103.20～101.050m；②二层：高程101.05～97.50m；③三层：高程97.50～95.00m；④四层：高程95.00～92.50m；⑤五层：高程92.50～90.00m；⑥六层：高程90.00～87.50m；⑦七层：高程87.50～85.00m；⑧八层：高程85.00～80.00m；⑨九层：高程80.00～75.00m。

对查明的裂缝分布按照坝段、层高等分别进行统计，从而更加明确裂缝总体分布情况。

2.1 按坝段统计

首先，统计不同坝段的裂缝条数，结果见表1。

表1 不同坝段裂缝条数及百分比

由表1可以看出：

(1)5#坝段裂缝最多，共计49条，占总数的17.19%左右；8#坝段、3#坝段和6#坝段次之，分别有裂缝33条、32条和32条，占总数的11.58%、11.23%和11.23%。

(2)按每个坝段每层的平均分布来看，10#坝段和5#坝段分布较为密集，这两个坝段每层分布条数占总数的1.96%和1.91%左右；2#和3#坝段次之，分别占总数的1.84%和1.87%；而7#坝段单层分布裂缝相对较少，每层占总数的1.09%左右。

2.2 按不同高程层高统计

由于自坝顶至坝底对上游混凝土面板按不同高程分为9层，通过不同高程裂缝分布情况的统计分析，结果见表2。

表2 不同高程裂缝条数及百分比

由表2可以看出：

(1)第2层(高程101.05～97.50m)位置处分布有裂缝数量相对较多，共计62条，占总数的21.75%；第3层、第4层和第5层次之，分别分布有裂缝43条、41条和39条，分别占总数的15.09%、14.39%和13.68%。

(2)第8层和第9层虽然仅存在于河床部位的5#、6#、7#和8#坝段，但这两层的裂缝分布仍相对较为密集，分别有18条和19条裂缝，占总数的6.32%和7.37%。

2.3 按裂缝长度统计

对普查获得的裂缝长度进行统计分析，结果如图1所示。

图1 裂缝长度频数统计

由图1可以看出：

(1)在共测量的284条裂缝中，除编号7-2-1的裂缝长度未测量外，其余283条裂缝平均长度达到了1.67m。

(2)长度介于2.4～2.6m的裂缝分布最为广泛，其次是0.8～1.0m和1.0～1.2m左右的。

(3)编号为5-1-2的裂缝最长，长度达到了3.15m，位于5#坝段顶部的该裂缝裂至防浪墙顶部。

2.4 按裂缝宽度

本次普查中对裂缝宽度进行了半定量测量，主要分为两个区间：①大于0.2mm；②小于0.2mm。对285条裂缝宽度进行统计，其中缝宽小于0.2mm的共计211条，占总数的74%，而缝宽大于0.2mm的共计74条，占26%左右。

一般多通过大坝示意图的形式反映面板裂缝的分布情况，但该方法更侧重于展示裂隙的形态及分布位置，缺少对分布密度的直观展示[4-5]。为更直观地比较不同坝段、高程的裂缝分布的密度情况，可通过裂缝分布热力图进行反映，所有裂缝、缝宽大于0.2mm以及缝宽小于0.2mm的裂缝分布热力图分别如图2所示。

图2 裂隙分布热力图

由图2可以看出：

(1)总体来看，裂缝在5#坝段的第9层以及2#、3#和10#坝段的第2层分布较为密集，分别有10条、11条、10条和9条。

(2)对于缝宽小于0.2mm的裂缝，分布情况与总体类似，在5#坝段底部的第9层以及2#、3#和10#坝段的第2层分布较为密集，说明这些部位虽然裂缝分布相对较多，但主要以缝宽相对较小的裂缝为主。

(3)对于裂缝缝宽大于0.2mm的裂缝，主要集中在8#坝段顶部的第1层，在该部位存在6条缝宽大于0.2mm的裂缝，此外，在2#、3#坝段的第2层也有较多缝宽较大的裂缝存在，分别有4条和3条。

3 裂缝宽度与深度检测

对裂缝出现较多的河床部位的5#、6#、7#和8#等4个坝段裂缝的宽度和深度进行检测，现场共检测5#—8#四个坝段共34条裂缝，其中个别长度较长或缝宽较宽的裂缝分上、中、下三部分或上、下两部分检测，共计检测49处，检测统计结果如图3所示，见表3。

图3 裂缝宽度及深度频数图

表3 裂缝检测宽度和深度特征值统计

由图3和表3可以看出：

(1)本次裂缝检测结果中，宽度最大为1.105mm，位于编号8-9-3处；最小为0.028mm，位于编号8-3-4裂缝的上部，宽度均值为0.384mm，标准差为0.224mm。河床部位5#～8#坝段检测获得的裂缝宽度主要集中于0.2～0.4mm这一区间范围内，共有22处，约为总数的44.90%，其次为0.4～0.6mm这一区间内，共有11处，占总数的22.49%，再者为0～0.2mm区间内，共有9处，占总量的18.37%；总体来看，检测宽度大于普查阶段的值，这主要是由于裂缝表层存在风化脱落现象，而使得测量值相对实际偏大的缘故。

(2)检测深度主要位于0～20mm处，共有17处，占总数的34.69%，然后为20～40mm区间内，共有16处，占总数的32.65%。本次测量获得的裂缝平均深度为38.510mm，标准差为33.496mm。检测获得的裂缝最大深度为159mm，位于编号6-2-1裂缝的上部，同时该裂缝中部和下部的深度也达到了155mm和87mm，是本次检测中唯一测量深度超过100mm的裂缝(超过钢筋保护层厚度100mm)；此外，编号5-2-2的裂缝深度也大于90mm，而编号5-6-2、编号5-9-6和编号5-9-10的裂缝深度也大于60mm。

为研究典型裂缝深度与宽度之间的关系，作相关散点图见图4。

图4 检测裂缝深度与宽度关系

可以看出，检测获得的裂缝深度与宽度之间无明显的相关关系，通过计算也可获得两者间相关系数仅为0.22，相关性不显著。

4 裂缝成因分析

4.1 裂缝分类

根据裂缝成因，大坝混凝土面板裂缝可分为非结构缝和结构缝两种，其中前者又包括温度裂缝(昼夜温差或者季节性温差引起)和干缩裂缝。其中，非结构裂缝主要是由于温差变化较大，温度控制措施不到位，气候干燥，混凝土养护措施与表面止水施工、保湿养护无法达到二者兼顾，施工期间养护效果达不到要求，加剧了裂缝的发展。结构性裂缝主要是坝体的自重和其它荷载如水压力、浪压力作用下产生不均匀沉降或其它方向的位移，引起的变形导致形成的裂缝[6-7]。

根据裂缝发展宽度和深度划分表面裂缝和深层及贯穿裂缝。其中前者是由于混凝土面板表层温度应力超过混凝土的允许抗拉强度时，产生开裂形成的，深度一般不超过3mm，方向不定，数量较多，其主要为温度裂缝；深层及贯穿裂缝主要是由于沉降变形或荷载作用下产生不均匀性沉降导致的。贯穿裂缝是由表面裂缝发展为深层裂缝，最终形成贯穿裂缝，它切断了结构面，可能破坏结构的整体性和稳定性，一般宽度可达1～3mm，其危害程度较大。因此，面板裂缝划分为：①Ⅰ类裂缝(浅层裂缝)：缝宽δ≤0.2mm且不贯穿；②Ⅱ类裂缝：缝宽0.2mm<δ≤0.5mm，裂缝且不贯穿，或缝宽δ≤0.2mm且为贯穿缝；③Ⅲ类裂缝：缝宽δ≥0.5mm的裂缝，或缝宽δ≥0.2mm且为贯穿缝[8]。

4.2 白龙潭大坝面板裂缝分类

白龙潭水库上游面钢筋混凝土防渗面板在高程85.00m以上厚为1.0m，以下渐变为3.16m，而本次检测最大深度为159mm(编号6-2-1)，未形成贯穿缝，因此，白龙潭水库上游面板裂缝大部分属于Ⅰ类裂缝即浅层裂缝，少量属于Ⅱ类裂缝，即缝宽>0.2mm但不贯穿。以深度50mm和100mm为界，则Ⅰ类缝中≤50mm的占80.77%，50～100mm之间占19.23%，无>100mm的；Ⅱ类缝≤50mm的占87.5%，无50～100mm之间，>100mm的有1条，占总数的12.5%。

温度裂缝一般表现为细、短和浅，而结构裂缝则相对粗、长、深，且裂缝宽度一般大于0.2mm。对比白龙潭水库上游面板裂缝的测量结果，可以看出符合温度裂缝的特征，因此可以判断其主要是由于温度造成的非结构缝。

4.3 裂缝成因分析

白龙潭水库大坝上游混凝土面板裂缝主要表现出细、短和浅等特点，因而可认为主要是由温度引起的，一般认为温度影响可能主要来自以下两个方面：①施工过程中温控不当；②面板建成后养护不当。白龙潭水库上游面板混凝土从材料选取到施工养护过程中，皆考虑到了温控的影响并采取了相关措施，工程验收鉴定中未发现质量事故及缺陷。因此，上游面板裂缝由于施工过程中引起的可能性较小。而水库在混凝土面板浇筑并按要求保养后，由于各类原因水库长期未蓄水，而且未采用有效措施进行保温养护。

白龙潭水库大坝面板分部工程于2015年12月完工，统计完工后温岭的气温变化情况，2016年1月1日—2018年6月30日温岭地区日最高气温和夜间最低气温如图5所示。

图5 温岭市白天最高气温和夜间最低气温变化趋势

由图5可以看出，总体上白天最高气温和夜间最低气温变化较为一致，即冬季气温较低而夏季气温较高。但不同时刻下昼夜温差的差别较大，具体如图6所示。

图6 温岭市昼夜温差柱状图

由图6可以看出，在白龙潭水库竣工后一段时期，温岭市昼夜温差变化较大，以10℃为限(图中红色水平线)，2016年1月1日—2018年6月30日这912d内，共有78d昼夜温差超过10℃，占总天数的8.55%以上。这种突然降温，极易产生温度裂缝，加之沿海地区气候变化大，高温与暴雨等气候循环交替，养护不及时，产生温度裂缝。

综上，从2015年12月完工至今经历了3个低温和2个高温空库运行，而在此期间面板未采取保温等养护措施，而面板作为薄体结构极易受外界温差的影响产生裂缝。因此，初步判断裂缝产生的主要原因为完工后空库运行而未采用有效保湿保温措施造成的。

5 结论

通过对浙江省温岭市白龙潭水库钢筋混凝土面板裂缝普查、典型裂缝分布特征的检测和统计，对其产生的主要原因进行了分析，主要结论如下。

(1)上游面板目前共存在285条裂缝，其中5#坝段的第9层以及2#、3#和10#坝段的第2层裂缝分布较为密集；

(2)河床部位5#—8#坝段的裂缝宽度均值为0.384mm，最宽为1.105mm；平均深度为38.510mm，裂缝深度最大为159mm，编号为6-2-1，也是本次检测中唯一测量深度超过钢筋保护层厚度(100mm)的裂缝。

(3)面板裂缝主要为表面裂缝，未形成贯穿性裂缝，且大部分属于缝宽≤0.2mm的Ⅰ类浅层裂缝，另有部分属于缝宽>0.2mm但未贯穿的Ⅱ类裂缝，无贯穿的Ⅲ类裂缝；同时，裂缝特征主要表现为细、短和浅等特点，因此裂缝主要是由于温度引起的非结构性裂缝。综合施工资料、近3年空库运行期间当地温度变化及养护情况，综合判断面板裂缝主要是由于大坝空库运行，养护不当造成的。

在明确裂缝分布、形态及从成因的基础上，可根据裂缝类型提出针对性的补强措施，并及时对面板采用保温和保湿措施，确保大坝安全。