張　毅，李　季，王雪梅（黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，青海西寧，810008）

?

李家峽大壩壩后裂縫影響因素分析

張毅，李季，王雪梅
（黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，青海西寧，810008）

對(duì)李家峽大壩壩后裂縫進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)值仿真分析，分析裂縫成因及對(duì)大壩結(jié)構(gòu)安全的影響，為水庫(kù)非汛期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供技術(shù)支撐。分析表明，當(dāng)水庫(kù)提高水位運(yùn)行，裂縫擴(kuò)展到一定程度后處于穩(wěn)定狀態(tài)，其對(duì)大壩安全不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。

大壩；裂縫；分析

1　工程概況

李家峽水電站是黃河上游大型梯級(jí)水電站之一，位于青海尖扎縣與化隆縣交界處，距上游龍羊峽水電站108.6 km，距西寧市112 km，屬大（Ⅰ）型一等工程，以發(fā)電為主，兼顧灌溉。水庫(kù)具有周調(diào)節(jié)性能，水庫(kù)總庫(kù)容17.5億m3，設(shè)計(jì)洪水位2181.3m，相應(yīng)庫(kù)容16.5億m3，正常蓄水位2 180.0 m，死水位2 178.0 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.6億m3。樞紐建筑物由混凝土雙曲拱壩、左岸重力墩、副壩、壩后雙排機(jī)廠房和兩岸泄水道等組成。大壩為混凝土三圓心雙曲拱壩，壩頂高程2 185 m，最大壩高155 m。電站設(shè)計(jì)水頭122m，最大水頭135.6m，最小水頭114.5m，設(shè)計(jì)總裝機(jī)容量2000MW，第一期工程裝機(jī)1600MW，多年平均發(fā)電量60.63億kW·h。

電站于1988年4月開(kāi)工，1996年12月下閘蓄水，1999年一期工程4臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。2001年完成工程竣工安全鑒定。2007年12月和2015年3月分別完成大壩安全首次和第二次定期檢查，被評(píng)為正常壩。

2　壩后裂縫情況

2006年8～10月，借李家峽大壩壩后保溫板拆除之際，對(duì)壩體下游面（除11～13號(hào)壩段）2 059～2 185 m高程的裂縫進(jìn)行了全面細(xì)致的檢查，共發(fā)現(xiàn)151條裂縫，裂縫主要集中在2 150～2 185 m高程，裂縫縫寬均在0.1～2.0 mm以內(nèi)。裂縫示意圖見(jiàn)圖1。

3　分析方法

裂縫對(duì)水工混凝土建筑物造成的影響及危害主要有以下幾方面：（1）影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性；（2）產(chǎn)生滲漏；（3）加速混凝土的碳化；（4）降低混凝土的耐久性。

裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展不僅破壞混凝土壩的美觀和整體性，而且影響混凝土壩結(jié)構(gòu)的受力狀況與穩(wěn)定?；炷翂瘟芽p的形成原因十分復(fù)雜，近些年來(lái)，工程技術(shù)人員和科技人員一直致力于探索用于分析混凝土壩裂縫擴(kuò)展影響因素和機(jī)理的方法，主要采用試驗(yàn)、工程經(jīng)驗(yàn)及數(shù)值仿真等方法。但由于實(shí)際工程的復(fù)雜性、影響因素的多樣性，尚未找到較為理想的方法。筆者采用非線性理論及數(shù)值仿真模擬相結(jié)合的方法對(duì)影響李家峽大壩壩后裂縫的因素進(jìn)行了分析。

圖1　李家峽大壩壩后裂縫示意圖Fig.1 Schematic diagram of cracks behind Lijiaxia dam

4　壩體溫度對(duì)裂縫的影響分析

對(duì)于拱壩，影響裂縫狀況的主要因素之一是壩體溫度。由于拱壩為超靜定結(jié)構(gòu)，溫度的變化對(duì)壩體應(yīng)力的影響很大。因此，為了確認(rèn)溫度對(duì)裂縫狀況的影響，在2008年壩體溫度最高的8月底和壩體溫度最低的2月底（壩體溫度比氣溫滯后約1個(gè)月）對(duì)李家峽壩頂和壩后裂縫采用表面波法進(jìn)行了兩次檢測(cè)，主要目的是檢測(cè)裂縫的深度及寬度，并監(jiān)測(cè)其發(fā)展變化情況。裂縫位置及編號(hào)見(jiàn)表1，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)2008年8月（夏）和2008年2月（冬）兩次檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：（1）對(duì)于壩體、壩肩、背管和左岸三角體，裂縫在深度和寬度上都有很大程度的變化，主要表現(xiàn)為深度變淺、寬度變窄；（2）對(duì)于壩頂，裂縫深度無(wú)明顯變化，而裂縫寬度則有變寬的趨勢(shì)。

由此可見(jiàn)：（1）對(duì)于壩體、背管、壩肩和左岸三角體，2008年8月份所測(cè)試的裂縫深度相對(duì)于2008 年2月份的測(cè)試結(jié)果有明顯的變淺、寬度明顯變窄，均表明該區(qū)域受到較大的壓應(yīng)力，特別是壩體上測(cè)試的許多深度數(shù)據(jù)已接近零，表明裂縫在高溫季節(jié)處于受壓閉合狀態(tài)；（2）壩頂?shù)牧芽p測(cè)試結(jié)果則未顯現(xiàn)以上規(guī)律，表明壩頂裂縫除了受溫度荷載作用外，還受到混凝土干縮等影響。

5　庫(kù)水位對(duì)裂縫的影響分析

李家峽水庫(kù)于2009年開(kāi)展大壩原型加密觀測(cè)試驗(yàn)，為了明確水位變動(dòng)過(guò)程中壩后裂縫深度以及寬度的變化情況，并確認(rèn)水位變化對(duì)裂縫狀況的影響，2009年2月配合水位變化過(guò)程進(jìn)行了裂縫檢測(cè)。

大壩加密觀測(cè)試驗(yàn)時(shí)間段為2009年2月25日～3月12日。試驗(yàn)期間，水庫(kù)實(shí)際最高水位達(dá)到2 181.35 m（2月28日6∶00），最低水位為2 174.60 m （3月7日20∶30），水位升降符合預(yù)定試驗(yàn)條件，獲取了設(shè)計(jì)洪水位工況和水庫(kù)水位小幅度波動(dòng)條件下的大壩原型觀測(cè)資料和裂縫檢測(cè)成果。對(duì)李家峽大壩整個(gè)壩體的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，可以最大程度地減小測(cè)試誤差，有助于從全局上把握庫(kù)水位變化對(duì)裂縫的影響。整個(gè)壩體裂縫綜合分析見(jiàn)表3。

從表3可以看出，在本次測(cè)試的水位變化過(guò)程中，裂縫變化不明顯。

6　基于有限元的壩后典型裂縫分析

為了尋找裂縫的不利荷載組合及判斷裂縫產(chǎn)生的典型位置，結(jié)合主壩壩后2 150～2 185 m高程裂縫深度的檢測(cè)結(jié)果，選取上游水位為2 180 m時(shí)環(huán)境平均溫度分別為-10℃、0℃、15℃和25℃，以及環(huán)境平均溫度為-10℃時(shí)上游水位分別為2 160 m、2 170 m、2 175 m、2 180 m、2 181 m、2 182 m、2 183 m、2 184 m和2 185 m共13組荷載工況對(duì)壩后裂縫的不利荷載組合及裂縫產(chǎn)生的典型位置進(jìn)行分析。不同荷載組合下壩后裂縫變形的等值線圖表明：當(dāng)上游水庫(kù)水位不變時(shí)（例如為2 180 m），壩后裂縫變形最大值的大小及位置由于溫度的不同而有所變化；隨著環(huán)境平均溫度的下降，拱冠梁附近壩段2 150 m高程附近的裂縫變形逐漸增大，表明低溫對(duì)拱冠梁附近壩段2 150 m高程附近的壩體較為不利，易使其產(chǎn)生水平裂縫；當(dāng)環(huán)境平均溫度為-10℃時(shí)，壩后混凝土的裂縫變形主要集中于拱冠梁附近壩段2 150 m高程附近，呈水平方向分布，且在上游水位為2 175 m時(shí)，該范圍內(nèi)的裂縫變形相對(duì)較大，隨著上游水位由2 175 m上升到2 185 m時(shí)，該范圍內(nèi)的裂縫變形減小，表明當(dāng)上游水位處于2 175 m附近且處于低溫工況時(shí)，拱冠梁及其鄰近壩段下游面2 150 m高程附近易產(chǎn)生水平裂縫。

表1　混凝土裂縫深度檢測(cè)位置及編號(hào)表Table 1 Detection position and number of concrete cracks

表2　李家峽2008年2月（冬）與2008年8月（夏）裂縫深度測(cè)試結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of test results of crack depth in February（winter）and August（summer）of 2008

以上分析可見(jiàn)，低溫和較低水位（2 175 m左右）對(duì)壩后裂縫最為不利，此時(shí)易在拱冠梁附近壩段2 150 m高程附近產(chǎn)生水平裂縫；上游水位的小幅上升，如從2 180 m上升到2 181 m或2 182 m時(shí)，壩后裂縫變形呈減小趨勢(shì)，即高水位下上游水位的小幅上升對(duì)裂縫未產(chǎn)生明顯的不利影響。

表3　李家峽大壩裂縫綜合分析表Table 3 Comprehensive analysis of cracks on Lijiaxia dam

7　裂縫影響因素分析結(jié)論

根據(jù)2008年2月、2008年8月和2009年2～3月的裂縫檢測(cè)結(jié)果及基于有限元的壩后典型裂縫分析，得到如下結(jié)論：

（1）溫度變化是影響裂縫變化的主要因素

從2008年檢測(cè)結(jié)果分析，2008年2月與2008 年8月前后兩次檢測(cè)結(jié)果表明，縫寬和縫深都有較大差異，說(shuō)明溫度變化對(duì)于裂縫的影響較大，尤其是低溫情況，在同樣庫(kù)水位下，裂縫的縫寬和縫深均較大。

（2）庫(kù)水位變化對(duì)裂縫變化有一定的影響

從2009年2月檢測(cè)結(jié)果的綜合分析可見(jiàn)，接近溫度工況下，水庫(kù)水位變化對(duì)裂縫有一定影響，但其影響較溫度變化要小。2009年2月測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)水位降到2 175 m左右時(shí)，測(cè)試的裂縫深度有增加的趨勢(shì)。從各個(gè)壩段來(lái)看，由于位置不同，裂縫深度變化幅度有一定差異；但從整體來(lái)看，增幅不大，約8%左右。由此說(shuō)明當(dāng)水位下降時(shí)，測(cè)試的裂縫深度增加，但增加幅度不大，說(shuō)明庫(kù)水位變化對(duì)大壩壩體的裂縫變化也有一定影響。

（3）低溫及較低水位是裂縫不利荷載工況組合

根據(jù)2008年2月、2008年8月及2009年2～3月的檢測(cè)結(jié)果，低溫階段測(cè)得的壩后裂縫寬度及深度較大，而高溫階段測(cè)得的裂縫寬度和深度較小。庫(kù)水位下降到2 175 m左右時(shí)，與高水位相比，測(cè)得的裂縫深度有所增大。因此，低溫和較低水位（2 175 m左右）是李家峽壩后裂縫的不利荷載組合。

8　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)李家峽大壩壩后裂縫的工程實(shí)際，對(duì)裂縫的影響因素和正常運(yùn)行時(shí)裂縫的發(fā)展進(jìn)行分析，為提高水庫(kù)非汛期運(yùn)行水位提供技術(shù)支撐。李家峽大壩壩后裂縫檢測(cè)成果分析表明，溫度變化是裂縫產(chǎn)生的主要因素，水庫(kù)水位變化對(duì)裂縫狀態(tài)有一定的影響，尤其是在較低水位工況下測(cè)得的裂縫深度相對(duì)于高水位要大，低溫和較低水位（2 175 m左右）工況是李家峽大壩壩后裂縫最為不利的荷載工況組合。有限元仿真模擬表明，低溫和較低水位（2 175 m左右）時(shí)對(duì)壩后裂縫最為不利，此時(shí)易在拱冠梁附近壩段2 150 m高程附近產(chǎn)生水平裂縫；高水位下上游水位的小幅上升，如從2 180 m上升到2 181 m或2 182 m時(shí)，壩后裂縫變形呈減小趨勢(shì)，即高水位對(duì)壩后裂縫未產(chǎn)生明顯的不利影響，其對(duì)大壩的安全不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。

［1］南京河海光華科技公司，黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司.李家峽大壩壩后裂縫成因、危害性和穩(wěn)定性分析［R］.2011.

［2］張毅，李季，胡鎖鋼，等.黃河李家峽大壩原型觀測(cè)試驗(yàn)研究［J］.大壩與安全，2014（6）：48-52.

［3］李友樓.柘溪大壩1號(hào)支墩劈頭裂縫處理及效果分析［J］.大壩與安全，2002（4）：39-40.

作者郵箱：zhyygx@163.com

Title:Analysis of influence factors on cracks behind Lijiaxia dam//by

ZHANG Yi，LI Ji and WANG Xuemei//Yellow River Upstream Hydropower Development Co.，Ltd.

Crack detection and numerical simulation analysis were conducted for Lijiaxia dam，which explained the impact of cracks on dam structure safety，and provided technical support for economic operation of reservoir during non-flood period.The analysis showed that due to reservoir water level rise，the crack would extend to a certain degree and be in a stable state，which would not exert significant impact on dam safety.

dam；crack；analysis

TV698.2

B

1671-1092（2016）03-0023-06

2016-02-22

張 毅（1966-），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榇髩伟踩芾怼?/p>