1、庄林拱坝裂缝成因分析及修补措施1 工程概况及裂缝情况庄林水库位于饶河流域昌江分支南河的上游，婺源县赋春镇长溪村庄林里，坝址地理座标为东经 1173135，北纬 292358，坝址控制流域面积51.5km2，水库总库容 584 万 m3，是一座具有发电、灌溉、防洪、养殖等综合效益的小（1）水利工程。水库校核洪水位（P0.5% ）200.01m ，设计洪水位（P3.33%）199.62m，正常蓄水位 196.00m，死水位 180.00m。大坝为 C15 砼单心圆双曲拱坝。坝顶高程 201.5m，坝顶设置 1.2m 高的防浪墙，建基面高程 166.0m，最大坝高 35.5m，坝顶宽 3.0m，坝底
2、宽 6.88m，顶拱弧长 95.0m，厚高比 0.19。溢洪道采用坝顶表孔泄流，分为 2 孔，每孔净宽9m，中间设 1 个中墩，溢流净宽 18.0m，无闸控制自由泄流，堰顶高程 196m。坝基防渗采用单排帷幕，孔距 3m。在坝基垫层范围内布置固结灌浆，梅花形分布，孔距 3m，孔深 5m。坝基设 12m 的 C15 砼垫层，河床段垫层高程为169.00m。大坝在桩号 0+036 和 0+056 处分宽缝 2 条，缝宽 0.8m，在冬季气温较低时进行回填 C20 砼封拱。大坝于 2008 年 7 月开始开挖基础，并于 10 年对基坑进行了初步验收。11月开始浇筑坝基及坝肩垫层。2009 年 8 月
3、坝基垫层整体满堂浇筑至 169.00m 高程，2009 年 9 月开始制模浇筑 169.00m 高程以上拱圈。因工程施工场地过于狭窄，为布置施工导流建筑物的需要，169171m 拱圈未设缝而整体浇筑，大坝从171.00m 高程开始分缝。2010 年 1 月 18 日，大坝左右两坝段浇筑至 196.00m 高程，中间坝段浇筑至 93.00m 高程。2010 年 1 月 19 日对宽缝基础界面清洗准备进行回填封拱，发现 2 条宽缝下坝体各有 1 条横向（顺河向）裂缝。左缝在宽缝中间开裂，向下延伸至 169.2m 高程，已贯穿整个坝体拱圈，顺河陡倾角20，长 5.8m（拱圈厚） ，深 1.8m，缝宽
4、 0.21mm。右缝在宽缝右侧边开裂，向下延伸至 169.4m 高程，已贯穿整个坝体拱圈，顺河陡倾角 40，长5.8m（拱圈厚） ，深 1.6m，缝宽 0.21mm。2 大坝应力复核双曲拱坝基本尺寸见表 1。表 1 拱坝基本尺寸表 高程 (m) 拱圈厚度 (m) 上游坐标 (m) 外半径 (m) 左中心角 （度） 右中心角 （度） 201.5 3.03 0 63.35 40.27 45.68196.0 3.18 1.7569 54.07 42.56 48.47191.0 3.42 3.1283 47.53 44.48 48.02186.0 3.80 4.1709 42.38 44.45 45.
5、80181.0 4.31 4.7744 38.20 42.62 43.35176.0 4.98 4.8288 34.61 40.58 40.67171.0 5.83 4.2239 31.22 35.64 38.50166.0 6.88 2.8494 27.59 24.02 22.97应力复核考虑的荷载组合为： 基本荷载组合：正常蓄水位压力+ 淤沙压力+自重+均匀温降； 基本荷载组合：死水位水压力+ 淤沙压力+自重+均匀温升； 特殊荷载组合：校核洪水位水压力+ 淤砂压力+自重+均匀温升； 特殊荷载组合：死水位水压力+ 淤沙压力+自重+均匀温降。封拱温度取多年平均温度 16.7，气温年升幅 11.
6、3，年降幅 12.1。应力分析采用浙江大学 ADAO 软件计算，主应力计算成果汇总表见表 2。表 2 庄林拱坝应力计算成果表 计算工况 上游坝面最大主 拉应力 上游坝面最大主压 应力 下游坝面最大主 拉应力 下游坝面最大主压 应力工况 -1.21 5R 3C 1.77 5R 0C -1.19 7R 0C 2.04 5R 3C工况 -1.21 5R 0C 2.17 1R -7C -1.20 3R 5C 2.56 6R 0C工况 -0.93 6R 2C 2.601R -7C -0.79 2R 6C 2.97 5R 3C工况 -1.20 1R -7C 1.395R 0C -1.16 7R 0C 1.
7、62 5R 3C从应力复核成果可以看出，庄林拱坝主应力值基本满足规范要求，但已用足了应力规定值，拉应力偏大。从计算工况来看，温降工况时 171m 高程拱圈坝端上下游坝面均受拉。3 裂缝成因分析坝体座落于弱风化千枚板岩上，基岩弹模为 6.5GPa。河床段基坑满浇筑23m 的砼垫层，垫层顶高程 169.0m；坝肩浇筑 0.52m 的垫层。整个坝基从开挖揭露情况来看较好，基坑开挖形态大致与设计尺寸一致，只是两坝肩局部存在超挖。经检查，裂缝从 171.0m 高程向下延伸至 169.2m 高程左右，并未发展到垫层。坝基开挖于 2008 年基本完成，时间较久，卸荷变化已趋于稳定。通过对拱座基岩的详细勘察，
8、未发现基岩有移动和变形迹象。综合上述情况，基本可以排除裂缝是由于拱座失稳或基岩不均匀沉陷引起的。由于裂缝产生的时间是天气变冷季节，结合应力计算成果可以基本断定开裂是由于温度应力造成的。169171m 拱圈于 2009 年 8 月浇筑，当时坝区气温高达 25，两层拱是未设缝而整体浇筑的，也就相当于实际封拱温度达 25。11 月进入冬季，寒潮来临，气温骤降后，温降幅度远比计算值 12.1大，因此实际温降应力比理论分析值更大。若根据施工实际气温情况来确定封拱温度，对空库遇温降工况进行应力计算，计算结果拱端拉应力高达 1.87MPa，已超过规范规定值。当超限拉应力出现后，沿拱轴产生的拉力使拱圈自顶向底
9、径向开裂。理论分析温度应力最大值位于拱端，而裂缝并不在拱端出现，而距拱端有一定距离，这是因为拱端处基岩会产生变形，使应力松驰，并且大坝分缝后 3坝段均浇筑较高，宽缝处拱圈自然成了拉梁，没有其他约束较单薄。4 裂缝修补措施根据上述裂缝成因分析，导致本工程拱坝开裂的主要原因是水库空库时的气温骤降，因温度应力超负荷引起的。由于 169171m 拱圈不设结构缝，采用均匀上升、层层封拱的施工方法，设计计算考虑的封拱温度一般低于多年平均值，而夏秋季施工时，混凝土的入仓温度及封拱温度较难控制，造成实际温降应力大大高于计算值。许多经历夏季施工的拱坝在第一个冬季后就有不同程度的开裂。本工程拱坝出现较大拉应力主要
10、出现在水库水位较低时，拉应力较大区域也主要分布在大坝上部两岸拱端，一般不致引起较大渗漏。当库水位较高时，在外荷作用下，拱的内力以压为主，有的小裂缝还会在水压力作用下会自行闭合。坝体开裂后形成的二次拱，也会阻止裂缝的发展。因此单纯由温度应力造成的裂缝危害性并不大。本工程左右 2 条裂缝规模较大，且已形成通缝，为防止拱坝应力重分配后出现局部应力恶化，出现新的裂缝，必须对裂缝进行必要的修补。修补时间应在冬季气温较低时进行，否则冬季仍有可能会拉裂张开。修补方法借鉴多座拱坝裂缝修补的成功经验，采用先补后灌的施工方法。通过防渗，防止裂缝因射水而扩张；通过内部补强灌浆，恢复拱坝拱向承载条件。具体方法简述如下
11、：先沿裂缝开槽，在开好的槽上骑缝布设灌浆管，间隔1.0m1.5m 左右。在上游面裂缝中嵌入 GBW 遇水膨胀橡胶止水条，再用聚合物柔性砂浆将槽封闭，下游槽埋设灌浆管后，直接用聚合物柔性砂浆封槽。封槽后 23 天，对裂缝进行灌浆处理。灌浆水泥浆液中掺入适量微膨胀剂，使浆液在硬化过程中产生微膨胀以补偿水泥的收缩效应，提高与被灌体的粘结抗渗性，从而恢复坝体的整体性。灌浆压力为 0.2MPa。灌浆顺序为：先上游缝后下游缝，自下而上施灌。5 对后续工程采取的防渗措施对裂缝进行修补应交由有类似工程经验的灌浆队伍施工，并应请其确定灌浆方案。对于工程的进展，建议马上开始对 2 条宽缝进行回填封拱，并控制好砼质量和温度。至于先封后灌还是先灌后封，主要看灌浆处理的需要。为了宽缝封堵的可靠，在横缝底面布设一层 10120钢筋网，每条缝两边各布设 1条遇水膨胀止水带。拱坝上游现状图拱坝下游现状图左缝下游形状图右缝下游形状图
