魯永華，呂曉騰，呂中維

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(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級建筑物，設(shè)計抗震烈度為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

主壩于1975年1月開工，1979年12月下閘蓄水。1992年1月在工程檢查時首次發(fā)現(xiàn)40#壩段185 m廊道的6個壩體排水管漏水，1992—1998年對漏水情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，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。

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，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壩段的水平裂縫。

2003年7月，對鉆孔進(jìn)行了孔內(nèi)錄像檢查，檢查結(jié)果進(jìn)一步證實裂縫的存在，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)計復(fù)核

為查明裂縫成因，對原設(shè)計壩體進(jìn)行復(fù)核計算，計算采用材料力學(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)計規(guī)范》（SDJ21-1978）及其補(bǔ)充規(guī)定，采用材料力學(xué)法對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、揚壓力、地震荷載。揚壓力計算時，壩體排水管處揚壓力折減系數(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)行仿真計算，計算中考慮了壩體外部溫度周期變化對壩體應(yīng)力及變位的影響。

2.2.1 計算工況及荷載

對“正常蓄水＋1月溫降”及“正常蓄水＋7月溫升”2種工況進(jìn)行計算，計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)定溫度場與穩(wěn)定溫度場之差產(chǎn)生的溫度荷載；7月溫升荷載指壩體7月準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場與穩(wěn)定溫度場之差產(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 計算模型

按照壩體實際體型建立三維有限元實體模型，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 計算假定

壩體蓄水運行多年后，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)測資料對溫度場計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（觀測均值）。

2.2.4 壩體穩(wěn)定溫度場

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)力的初始溫度場為并縫灌漿時的壩體溫度場，即設(shè)計采用的穩(wěn)定溫度場。穩(wěn)定運行期不同月份下的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場與穩(wěn)定溫度場之差作為溫差場，由溫差場產(chǎn)生的應(yīng)力為該月份的壩體溫度應(yīng)力。

壩體穩(wěn)定溫度場計算結(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

壩體邊界溫度以年為單位周期變化，溫度變化步長為月，以并縫灌漿時的溫度場作為初始溫度場，利用ANSYS瞬態(tài)熱分析功能模擬壩體溫度場變化過程，求解壩體每月的溫度場。計算截至相鄰兩年同月的溫度場相近時為止，取后一年的各月溫度場作為壩體穩(wěn)定運行期各月的準(zhǔn)溫度場。根據(jù)計算結(jié)果，第7年與第8年各月的溫度相差很小，故取第8年各月的溫度場作為本壩段的運行期準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場。各月準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場計算結(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)定溫度場計算溫度應(yīng)力。

2.2.6 有限元計算成果

“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算位移、應(yīng)力計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40#壩段上游面194 m高程水平裂縫的成因認(rèn)識如下：

經(jīng)復(fù)核計算原設(shè)計合理，若壩體混凝土施工質(zhì)量滿足設(shè)計要求，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)行計算分析，以預(yù)測裂縫發(fā)展趨勢，判斷壩體的安全性。計算裂縫深度取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)法對壩體194 m高程截面抗滑穩(wěn)定及壩體應(yīng)力進(jìn)行計算。根據(jù)實測結(jié)果，揚壓力折減系數(shù)取法如下：壩體排水管上游取1.0，壩體排水管處取0.6。考慮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)計值低，計算中采用指標(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 計算說明

考慮8.0m深裂縫的影響，采用有限元法計算壩體應(yīng)力和位移。計算方法及計算假定同前節(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“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種工況計算。

地震工況同時計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。

地震動力分析采用時程分析法，選取與本工程場地情況類似的遷安波 （1976年8月31日唐山地震時記錄到的一個強(qiáng)余震地震加速度時程曲線）作為地震加速度基礎(chǔ)時程曲線，設(shè)計時程曲線在此基礎(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也印證了這一點。在冬季遭遇地震時，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)及時予以處理。

5 結(jié)語

通過計算分析判定，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)對裂縫狀況下壩體安全復(fù)核計算，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，若在冬季遭遇地震，該裂縫會顯著發(fā)展、惡化。2007年，針對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)測結(jié)果表明，壩體漏水現(xiàn)象得到遏制，壩體揚壓力恢復(fù)正常，裂縫發(fā)展得到有效控制，壩體運行安全可靠。