潘家口水庫主壩壩段上游面裂縫成因及安全性分析

魯永華，呂曉騰，呂中維

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

潘家口水利樞紐位于河北省遷西縣灑河橋鎮(zhèn)以北10 km的灤河干流上，是一座以供水為主、結(jié)合發(fā)電、兼顧防洪的綜合利用大型水利樞紐，主要建筑物有主壩、副壩、混合式抽水蓄能電站及下池閘壩。

主壩為低寬縫重力壩，Ⅰ級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)抗震烈度為Ⅷ度。最大壩高107.50 m，壩頂高程230.50 m，壩頂長1 039 m，自左至右共分為56個(gè)壩段。其中，23-30#和33-44#壩段為溢流壩段，位于河床中部，共20個(gè)壩段，全長363 m。40＃壩段壩高95.5 m（建基面高程135.0 m，壩頂高程230.5 m），壩段寬度18.0 m，寬縫縫腔寬度4.0 m，體型如圖1所示。

1 裂縫性狀檢測(cè)

主壩于1975年1月開工，1979年12月下閘蓄水。1992年1月在工程檢查時(shí)首次發(fā)現(xiàn)40#壩段185 m廊道的6個(gè)壩體排水管漏水，1992—1998年對(duì)漏水情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)漏水量呈以下規(guī)律：漏水現(xiàn)象基本從每年12月份開始，次年4月份結(jié)束，一般為1—2月份漏水量最大；漏水量有逐年增大趨勢(shì)。

為查明漏水原因，分別于1998—2003年間3次自202 m高程檢修廊道鉆孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)，初步判斷40#壩段上游194 m高程有一集中滲水層。在2000年汛前水庫水位低于194 m高程時(shí)進(jìn)行裂縫檢查，確定壩前194 m高程有一條沿壩軸向貫穿整個(gè)壩段的水平裂縫。

2003年7月，對(duì)鉆孔進(jìn)行了孔內(nèi)錄像檢查，檢查結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)裂縫的存在，裂縫從上游面深入壩體6.5～8.5 m，沿壩軸線向貫穿整個(gè)壩段，裂縫位置及深度如圖1所示，縫內(nèi)大部分充填泥質(zhì)物，裂縫周圍的混凝土質(zhì)量較差。

綜上所述，40＃壩段高程194 m上游面存在一貫穿整個(gè)壩段的水平裂縫，縫深為6.5～8.5 m，裂縫伸入壩體超過壩體排水管。裂縫為活縫，冬季漏水（冬季張開），夏季不漏水（夏季閉合）。

2 原設(shè)計(jì)復(fù)核

為查明裂縫成因，對(duì)原設(shè)計(jì)壩體進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，計(jì)算采用材料力學(xué)法和有限元法兩種方法進(jìn)行。

2.1 材料力學(xué)法

根據(jù) 《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SDJ21-1978）及其補(bǔ)充規(guī)定，采用材料力學(xué)法對(duì)40＃壩段194 m高程截面進(jìn)行抗滑穩(wěn)定及壩體應(yīng)力復(fù)核。計(jì)算考慮以下荷載：壩體及上部永久設(shè)備自重、靜水壓力、浪壓力、揚(yáng)壓力、地震荷載。揚(yáng)壓力計(jì)算時(shí)，壩體排水管處揚(yáng)壓力折減系數(shù)取0.2。194 m高程截面壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、壩體應(yīng)力計(jì)算成果見表1。

由表1可知，各工況下194m高程截面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、壩體應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，原設(shè)計(jì)安全。

2.2 有限元法

采用有限元法建立三維有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算中考慮了壩體外部溫度周期變化對(duì)壩體應(yīng)力及變位的影響。

2.2.1 計(jì)算工況及荷載

對(duì)“正常蓄水＋1月溫降”及“正常蓄水＋7月溫升”2種工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中考慮了壩體及上部永久設(shè)備自重、靜水壓力、浪壓力、揚(yáng)壓力和溫度荷載。1月溫降荷載指壩體1月準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)與穩(wěn)定溫度場(chǎng)之差產(chǎn)生的溫度荷載；7月溫升荷載指壩體7月準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)與穩(wěn)定溫度場(chǎng)之差產(chǎn)生的溫度荷載。

表1 194 m高程抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及壩體應(yīng)力成果

2.2.2 計(jì)算模型

按照壩體實(shí)際體型建立三維有限元實(shí)體模型，基巖深度取約1倍壩高，垂直水流向（下稱Z向）取壩段寬度，順?biāo)飨颍ㄏ路QX向）壩段上下游各取約1倍壩段長度。

2.2.3 計(jì)算假定

壩體蓄水運(yùn)行多年后，壩體溫度呈周期性變化。結(jié)合大壩、基巖和庫水溫度安全監(jiān)測(cè)資料對(duì)溫度場(chǎng)計(jì)算邊界條件做以下假定：上游壩面溫度取相應(yīng)高程的庫水溫度；下游壩面的溫度取氣溫加上太陽輻射溫升；寬縫內(nèi)溫度根據(jù)觀測(cè)資料給定；建基面15m以下基礎(chǔ)溫度不隨水溫、氣溫變化而變化，取恒值（觀測(cè)均值）。

2.2.4 壩體穩(wěn)定溫度場(chǎng)

由于本工程采用柱狀澆注法，分塊澆注，待壩塊冷卻到一定溫度后才進(jìn)行接縫灌漿，故假定無溫度應(yīng)力的初始溫度場(chǎng)為并縫灌漿時(shí)的壩體溫度場(chǎng)，即設(shè)計(jì)采用的穩(wěn)定溫度場(chǎng)。穩(wěn)定運(yùn)行期不同月份下的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)與穩(wěn)定溫度場(chǎng)之差作為溫差場(chǎng)，由溫差場(chǎng)產(chǎn)生的應(yīng)力為該月份的壩體溫度應(yīng)力。

壩體穩(wěn)定溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果表明：壩體等溫線基本平行于下游壩面，變化較均勻，寬縫處溫度相等，上游面受庫水溫度影響，溫度從上游面至下游面逐漸增加。

2.2.5 壩體各月準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)

壩體邊界溫度以年為單位周期變化，溫度變化步長為月，以并縫灌漿時(shí)的溫度場(chǎng)作為初始溫度場(chǎng)，利用ANSYS瞬態(tài)熱分析功能模擬壩體溫度場(chǎng)變化過程，求解壩體每月的溫度場(chǎng)。計(jì)算截至相鄰兩年同月的溫度場(chǎng)相近時(shí)為止，取后一年的各月溫度場(chǎng)作為壩體穩(wěn)定運(yùn)行期各月的準(zhǔn)溫度場(chǎng)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，第7年與第8年各月的溫度相差很小，故取第8年各月的溫度場(chǎng)作為本壩段的運(yùn)行期準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)。各月準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果表明：壩體上游面附近受庫水影響溫度變幅較小。壩體內(nèi)部溫度較穩(wěn)定，在10～12℃之間變化。壩體下游附近溫度梯度較大，主要發(fā)生在距下游壩面6 m范圍內(nèi)，此范圍內(nèi)7月溫升最大，較穩(wěn)定溫度場(chǎng)平均升高9℃，壩面最高溫升達(dá)16℃；此范圍內(nèi)1月溫降亦最大，較穩(wěn)定溫度場(chǎng)平均降低7℃，壩面最高溫降達(dá)16℃。

取溫度變化最大的1、7月的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)計(jì)算溫度應(yīng)力。

2.2.6 有限元計(jì)算成果

“正常蓄水＋1月溫降”工況壩頂向下游水平位移6.97 mm，壩體上游面處于受拉狀態(tài)，高程194 m上游面垂直拉應(yīng)力為0.926 MPa。

“正常蓄水＋7月溫升”工況壩頂向上游水平位移8.21 mm，壩體上游面處于受壓狀態(tài)，高程194 m上游面垂直壓應(yīng)力為2.043 MPa。

兩工況下壩體應(yīng)力均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。壩體混凝土施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下，即使考慮溫度應(yīng)力作用，上游面高程194 m附近也不致產(chǎn)生水平裂縫。

綜合兩工況下壩體計(jì)算位移、應(yīng)力計(jì)算成果可得出以下規(guī)律：壩體冬季向下游后仰，夏季向上游前傾；壩體194 m高程上游面在冬季受拉，夏季受壓，以年為周期循環(huán)變化。

3 壩體裂縫成因分析

經(jīng)查閱 “潘家口水庫工程竣工資料”40#壩段甲塊質(zhì)量檢查記錄，194 m高程為施工澆注層。經(jīng)鉆孔檢查，該高程附近巖芯很破碎，混凝土質(zhì)量較差。

綜上分析，對(duì)40#壩段上游面194 m高程水平裂縫的成因認(rèn)識(shí)如下：

經(jīng)復(fù)核計(jì)算原設(shè)計(jì)合理，若壩體混凝土施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，上游面高程194 m處不致產(chǎn)生水平裂縫。

壩段上游194 m高程為水平臨時(shí)施工縫，該處混凝土施工質(zhì)量較差，這是產(chǎn)生水平貫穿裂縫的內(nèi)因。外界氣溫周期性變化對(duì)壩體位移和應(yīng)力有較大影響，壩體冬季后仰、夏季前傾，上游面冬季受拉、夏季受壓，變位和應(yīng)力以年為周期循環(huán)變化。壩頂水平位移變幅15.18 mm，上游壩面194 m高程處應(yīng)力變幅達(dá)2.969 MPa。外界氣溫周期性變化是導(dǎo)致壩體上游面194 m高程施工薄弱部位裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的主要外因。

4 裂縫狀況下壩體安全復(fù)核

采用材料力學(xué)法及有限元法對(duì)40#壩段裂縫狀況下194 m高程截面的穩(wěn)定、位移、應(yīng)力等進(jìn)行計(jì)算分析，以預(yù)測(cè)裂縫發(fā)展趨勢(shì)，判斷壩體的安全性。計(jì)算裂縫深度取8.0 m。

4.1 材料力學(xué)法

考慮8.0 m深裂縫的影響，采用材料力學(xué)法對(duì)壩體194 m高程截面抗滑穩(wěn)定及壩體應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，揚(yáng)壓力折減系數(shù)取法如下：壩體排水管上游取1.0，壩體排水管處取0.6?？紤]194 m高程施工薄弱層面處混凝土破碎，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較原設(shè)計(jì)值低，計(jì)算中采用指標(biāo)如下：f=0.7；f′=1.0，c′=0.9 MPa。壩體194 m高程截面壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、壩體應(yīng)力計(jì)算成果見表2。

由表2可知，各種工況抗剪斷安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，抗剪安全系數(shù)在最高蓄水位+地震工況時(shí)不滿足規(guī)范要求，最高蓄水位+地震工況下裂縫下端垂直拉應(yīng)力為0.269 MPa。

表2 194 m高程抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及壩體應(yīng)力成果（8.0 m縫深）

4.2 有限元法

4.2.1 計(jì)算說明

考慮8.0m深裂縫的影響，采用有限元法計(jì)算壩體應(yīng)力和位移。計(jì)算方法及計(jì)算假定同前節(jié)2.2中所述。裂縫通過面—面接觸單元模擬，裂縫上下面間摩擦系數(shù)取0.7。對(duì)“正常蓄水＋7月溫升”“正常蓄水＋1月溫降”“正常蓄水＋1月溫降+地震”3種工況計(jì)算。

地震工況同時(shí)計(jì)入順河向和豎向地震作用效應(yīng)，總的地震效應(yīng)將豎向地震效應(yīng)乘以0.5的遇合系數(shù)后與順河向水平地震效應(yīng)疊加后取得。

地震動(dòng)力分析采用時(shí)程分析法，選取與本工程場(chǎng)地情況類似的遷安波 （1976年8月31日唐山地震時(shí)記錄到的一個(gè)強(qiáng)余震地震加速度時(shí)程曲線）作為地震加速度基礎(chǔ)時(shí)程曲線，設(shè)計(jì)時(shí)程曲線在此基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整，曲線峰值加速度調(diào)整至0.2 g。地震波以無質(zhì)量地基底部均勻輸入的方式施加，結(jié)構(gòu)固定阻尼比取0.05。

4.2.2 計(jì)算結(jié)果

“正常蓄水＋7月溫升”工況下壩頂向上游方向水平移動(dòng)并向上游傾斜，壩頂水平位移為8.43 mm，在194 m高程裂縫下游端處為-0.856 MPa的鉛垂向壓應(yīng)力，裂縫閉合。

“正常蓄水＋1月溫降”工況下，壩頂向下游方向水平移動(dòng)并向下游傾斜，壩頂水平位移為7.09 mm，在194 m高程裂縫下游端處為0.452 MPa的鉛垂向拉應(yīng)力，裂縫張開，裂縫上游端開度1.155 mm。

“正常蓄水＋1月溫降+地震”工況下，壩頂向下游水平移動(dòng)并向下傾斜，194 m高程裂縫下游端為拉應(yīng)力，鉛錘向拉應(yīng)力為1.04 MPa，裂縫張開，裂縫上游端開度1.46 mm。

4.3 裂縫狀況壩體安全復(fù)核結(jié)論

由材料力學(xué)法計(jì)算結(jié)果可知：壩體現(xiàn)狀抗剪斷安全系數(shù)各種工況均滿足規(guī)范要求?？辜舭踩禂?shù)最高蓄水位＋地震工況不滿足規(guī)范要求，裂縫下游端鉛垂向拉應(yīng)力為0.277 MPa。由有限元計(jì)算可知，高程194 m裂縫下游端垂直應(yīng)力冬季為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.452 MPa，裂縫張開1.155 mm；夏季為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為-0.856 MPa，裂縫閉合。

在這種周期性拉、壓應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化及周期變位作用下，裂縫將進(jìn)一步發(fā)展，裂縫冬季漏水量逐年增多的趨勢(shì)也印證了這一點(diǎn)。在冬季遭遇地震時(shí)，縫端應(yīng)力狀況進(jìn)一步惡化，最大拉應(yīng)力為1.04 MPa，裂縫上游端開度將達(dá)1.46 mm，開度顯著增加，嚴(yán)重威脅壩體的抗震安全。

裂縫的存在已危及到壩體的安全，且裂縫還將進(jìn)一步向下游擴(kuò)展，壩體漏水現(xiàn)象如不及時(shí)處理將進(jìn)一步惡化縫面部位混凝土質(zhì)量，故此裂縫應(yīng)及時(shí)予以處理。

5 結(jié)語

通過計(jì)算分析判定，主壩40#壩段上游面194 m高程水平貫穿裂縫產(chǎn)生的內(nèi)因是該部位為水平施工層面，且混凝土施工質(zhì)量較差，而外因主要是外界氣溫的周期性變化。經(jīng)對(duì)裂縫狀況下壩體安全復(fù)核計(jì)算，壩體在裂縫高程層面抗滑穩(wěn)定存在隱患，裂縫有逐年發(fā)展的趨勢(shì)，若在冬季遭遇地震，該裂縫會(huì)顯著發(fā)展、惡化。2007年，針對(duì)該裂縫采用了壩面及兩側(cè)橫縫封堵、增打壩體排水孔、預(yù)應(yīng)力錨索錨固的綜合措施進(jìn)行了處理。處理后兩年多的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，壩體漏水現(xiàn)象得到遏制，壩體揚(yáng)壓力恢復(fù)正常，裂縫發(fā)展得到有效控制，壩體運(yùn)行安全可靠。