龔啟龍

(壽寧縣水利局，福建寧德 355500)

0 引言

壽寧縣麻竹坪水庫系以發(fā)電為主，結(jié)合灌溉兼顧防洪的水利樞紐工程.壩址以上控制流域面積 101.4 km2，總庫容 2 875 萬 m3.最大壩高68.6 m，大壩設(shè)計為漿砌石三心變厚雙曲拱壩.壩頂高程638.6 m，壩底高程 570 m，頂厚 3.5 m，底厚 13.5 m，厚高比 0.197，壩面采用 100#砂漿砌方整條塊石，壩體內(nèi)采用100#細(xì)骨料混凝土砌筑毛塊石.麻竹坪水庫工程于1984年10月正式動工，1989年12月建成，1988年6月經(jīng)批準(zhǔn)投入運行，當(dāng)年最高水位624.8m，相應(yīng)庫容1 713×104m3.根據(jù)《福建省水利水電廳基本建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心站報告》(檢字[1990］12號)文件評定，大壩施工質(zhì)量優(yōu)良，在施工過程中砌體未發(fā)現(xiàn)過裂縫.

1 裂縫產(chǎn)生

1990年2月5日，大壩發(fā)現(xiàn)兩條徑向豎直裂縫，當(dāng)時庫水位為598.1 m，相應(yīng)庫容266×104m3，其中:一條距右岸拱端40.1 m處(包括傳力墩長18.3 m)，沿壩頂和上下游灰縫開裂，上游側(cè)長4.5 m，下游側(cè)長 18.6 m;另一條距左岸拱端 26.5 m，頂部未開裂，上游側(cè)壩面裂縫長3.7 m，下游側(cè)長15.8 m，裂縫上寬下窄，呈徑向發(fā)育.用讀數(shù)顯微鏡測定上部最大縫寬0.91 mm，中部平均0.23 mm，下部細(xì)如發(fā)絲，裂縫沒有滲水，表明上下游沒有貫穿，開裂深度不深，這兩條細(xì)小裂縫要相當(dāng)注意觀察才能發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時專家討論決定暫時不做處理，要加強監(jiān)測.

2 觀測設(shè)計和埋設(shè)施工

2.1 壩體應(yīng)力應(yīng)變觀測

它是內(nèi)觀測的主要觀測項目.根據(jù)拱壩的結(jié)構(gòu)特點，選取拱冠梁作為應(yīng)力，應(yīng)變觀測基面，且按應(yīng)力分布情況進行觀測:沿壩高選取580 m高程、590 m高程、595 m高程、610 m高程及625 m高程四個觀測斷面;拱端也是壩體應(yīng)力比較突出的地區(qū)，其觀測斷面是選在與拱冠梁斷面同高程的拱圈端部.各斷面的上下游側(cè)各布置一個觀測點，每個觀測點設(shè)一組應(yīng)變計組，應(yīng)變計組分五向、四向、單向三種，其中580 m高程、595 m高程兩層采用五向應(yīng)變計組，其余兩層采用四向單向應(yīng)變計組(應(yīng)變計選用DI—10型)，每個應(yīng)變計組的附近另設(shè)有一支無應(yīng)力計，全壩共設(shè)應(yīng)力應(yīng)變測點26個，應(yīng)變計107 支[1－2］.

2.2 壩體溫度觀測設(shè)計

溫度荷載是拱壩的主要荷載之一，為了全面了解壩體內(nèi)溫度變化情況，大壩布置了數(shù)量較多的溫度測點，其觀測斷面與應(yīng)變觀測斷面相同，即:580 m高程、595 m高程、610 m高程、625 m高程四層.每層除由應(yīng)變計等兼測溫度外，另布置必要的溫度計，其中580 m高程僅在上下游應(yīng)變觀測點之間插入溫度測點，其它高程均在1/4弧長處沿徑向布置三支溫度計，即上下及中部，共布置溫度計42支.

2.1 埋設(shè)施工各應(yīng)變計、溫度計、無應(yīng)力計

麻竹坪水庫工程于1984年10月動工，大規(guī)模壩體砌筑工程量從1986年開始.第1層儀器于1986年6月埋入，正值夏季，氣溫較高;第2、3層儀器分別于1986年12月和1987年11月埋設(shè)，1988年11月完成了最后1層的埋設(shè).各種儀器的埋設(shè)大致分成三道工序，即:埋設(shè)前準(zhǔn)備工作;壩體施工現(xiàn)場埋設(shè);埋設(shè)后觀測保護.埋設(shè)前準(zhǔn)備包括儀器選購，儀器的率定試驗和聯(lián)接，埋設(shè)方法依儀器不同而異，應(yīng)變計和無應(yīng)力計的埋設(shè)較為復(fù)雜，考慮到麻竹坪水庫大壩砌筑材料的實際情況，在埋設(shè)點預(yù)留0.45 m ×0.45 m ×0.4 m 的埋設(shè)坑，放入應(yīng)變計組后，回填細(xì)骨料混凝土[3－4］.

自1986年6月第1層儀器埋入后，正常觀測即行開始，多年的觀測情況表明，絕大部份儀器運行正常，測值穩(wěn)定，儀器完好率近90%，證明整個觀測工作是成功的、有效的.

3 實測成果分析探討

3.1 壩體溫度

各高程拱圈溫度統(tǒng)計情況見表1，從表中可見625 m高程拱圈溫度序列短，完整的觀測資料一年多，從觀測資料可以看出拱冠斷面的年平均溫度明顯高于拱端，其年變幅達(dá)17.77℃，也比左右拱端高出較多.以每年七、八月份和一、二月份為例，拱冠斷面八月份達(dá)24.78℃，一、二月份降至7.43℃～9℃，而拱端斷面八月份僅20.08℃ ～19.94℃，二月份均在11℃左右，說明拱端斷面較之拱冠斷面要大多了;以八月份為例，右拱端的梯度值為0.754，而拱冠斷面只有0.11，說明由于斷面溫度梯度引起的溫度應(yīng)力，拱端斷面大于拱冠斷面.

595 m高程拱圈的觀測資料，從表中可見，拱冠和拱端的年均溫度基本相同，且隨著年期的增長年平均溫度有逐漸低的趨勢，并逐步趨向穩(wěn)定，左拱端的溫度梯度在冬季較高于拱冠，而在夏季卻小于拱冠.不論拱冠和拱端，斷面中部的溫度在夏季為最低，而在冬季為最高，在全年的大部份月份里，溫度年變幅基本相同.

580 m高程拱圈觀測時間序列最長，從1986－1990年，跨越5年之久.表中顯示左右拱端的年平均溫度明顯高于拱冠，與595高程拱圈相似，隨著各斷面的平均溫度逐年降低，且將逐漸穩(wěn)定.各斷面中部的溫度夏季最低，冬季最高，上游溫度在冬季高于下游溫度，而在夏季則相反，這是由于上游常年處于水下，受庫水位影響，而下游則決定于大氣溫度，溫度年變幅，以右拱端為最小，拱冠和左拱端均較大，表明右拱端的溫度年變化較為緩和.

各層拱圈溫度均隨氣溫變化作余弦式的波動，年平均溫度由于受上游水溫影響，上層高下層低.壩體溫度滯后于氣溫約一個月左右，最高溫度為29.55℃，出現(xiàn)于施工初期580 m高程拱冠部位.

3.2 壩體應(yīng)力分布

各層拱圈的實測應(yīng)力以595m高程為最大，其最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱冠部位，砌體應(yīng)力達(dá)7.02×105Pa;拱端應(yīng)力以左拱端為例4.9×105Pa，最大壓應(yīng)力位于左拱端上游，為15.53×105Pa;580 m高程的應(yīng)力稍有減小，最大主拉應(yīng)力為6.16×105Pa，壓應(yīng)力3.3×105Pa;625 m高程拱圈應(yīng)力最小，拱冠部位的拉應(yīng)力僅3.59×105Pa.上述應(yīng)力值均未超過允許范圍，表明壩體強度是足夠的.

各層拱圈拉應(yīng)力出現(xiàn)的時間均在寒冷的季節(jié)(12～3月)，而壓應(yīng)力卻在每年溫度較高的時期出現(xiàn)(6～9月)，表明溫度應(yīng)力在壩體應(yīng)力中占據(jù)了重要的地位.特別應(yīng)指出的是，各層最大主拉應(yīng)力均在施工期或上游無水時，這些應(yīng)力實際上主要就是溫度應(yīng)力.

進入蓄水期后，隨著上游水位的升高，拱冠拉應(yīng)力減少，壓應(yīng)力增大，拱端除了580m高程出現(xiàn)少量主拉應(yīng)力外，其余也有類似情況，如580 m高程拱冠拉應(yīng)力由6.12 ×105Pa降為 2.82 ×105Pa，壓應(yīng)力由7.66×105Pa增大為12.7×105Pa;595 m高程拱冠拉應(yīng)力由7.02×105Pa降至4.21×105Pa，壓應(yīng)力由 7.67 ×105Pa增長為14.24 ×105Pa，其拱端拉應(yīng)力完全消失，呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài).這些情況表明，壩體應(yīng)力狀況隨著水庫蓄水逐漸得以改善.

表2列出各層拱圈應(yīng)力的計算值和實測值，從表中可見，壩體應(yīng)力的分布規(guī)律，設(shè)計和實測十分相似，應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在595 m高程，580 m高程次之.應(yīng)力值出入較大的是580 m高程的拱冠上游部位，設(shè)計應(yīng)力是壓應(yīng)力，實測實際是拉應(yīng)力，其原因是:該層施工期間正處于高溫期，沒有采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M行施工，導(dǎo)致設(shè)計應(yīng)力的變化，初期的壩體溫度達(dá)到30℃左右，以致壩體溫度下降后形成很大的拉應(yīng)力;水庫蓄水雖使拉應(yīng)力下降，但還不足以消除拉應(yīng)力狀態(tài).這表明壩體施工期應(yīng)力對正常運行期應(yīng)力有著很大影響，壩體其它各點應(yīng)力值雖有出入，但也合理，說明大壩的優(yōu)化設(shè)計是合理的成功的.

表2 實測應(yīng)力值與設(shè)計計算值比較表

3.3 壩體拱圈裂縫的形成

1989年12月至1990年2月，拱壩上部1/4拱圈處出現(xiàn)豎向裂縫，該裂縫從壩頂向下延伸至625 m高程，這種靠近拱端的豎直裂縫在砌石拱壩中是常見的，形成的主要原因是溫度變形，但對形成這種裂縫的機理和裂縫的性質(zhì)，通過實測資料進行分析并不很多，本文根據(jù)625 m高程拱圈實測成果對裂縫的形成和性質(zhì)作些初淺探討.

從表2可見625 m高程拱圈實測應(yīng)力并不大，拱冠的主拉應(yīng)力為3.59×105Pa，拱端更小，僅0.91×105Pa，遠(yuǎn)小于允許拉應(yīng)力，所以不存在斷面強度不夠而產(chǎn)生裂縫問題，也就是說該裂縫不是因為應(yīng)力過大，斷面強度不足而產(chǎn)生.

據(jù)實測記錄1989年12月底至1990年1月有一次明顯的寒潮降溫過程，如1990年1月18日早八時的氣溫降至3℃(夜間氣溫顯然更低)，而當(dāng)時左、右拱端壩內(nèi)溫度都在16℃ ～17℃以上，因而在壩內(nèi)表層出現(xiàn)了很大的溫度梯度，由此在壩的表面引起很大的溫度應(yīng)力.根據(jù)大壩內(nèi)觀測資料分析、計算，如果以夜間降至0℃，表層(壩面)溫度3℃～4℃計算，壩表面出現(xiàn)拉應(yīng)力即達(dá)12～14×105Pa，足以把表層砌體拉裂.拱冠溫度較為和緩，壩內(nèi)溫度均在11℃以上，出現(xiàn)的拉應(yīng)力遠(yuǎn)較拱端為小，故先在兩端拉開，一旦拉開，壩體裂縫產(chǎn)生，能量得到釋放，變形可以自由伸張，溫度應(yīng)力得到緩解.

壩體表面裂縫形成后，根據(jù)后來水庫的運行情況看，水庫在正常蓄水位時壩面的裂縫沒有滲水，說明裂縫沒有貫穿.1991年以后水庫管理處仍然對水庫大壩的內(nèi)部觀測和外部觀測繼續(xù)進行著，特別是對形成的裂縫不間斷的觀察著.從觀察和觀測資料看，壩內(nèi)的溫度均比較穩(wěn)定，而且是平穩(wěn)降低，根據(jù)觀測的成果分析和裂縫沒有滲水的情況看，裂縫沒有進一步的擴展，隨著壩內(nèi)溫度的穩(wěn)定，應(yīng)力狀況的穩(wěn)定，壩體表面裂縫每年越來越小，到了2010年肉眼很難看出裂縫，可以說壩體裂縫已經(jīng)閉合，也沒有產(chǎn)生其他裂縫.根據(jù)各種情況判斷，麻竹坪水庫砌石拱壩的溫度和應(yīng)力狀況已經(jīng)穩(wěn)定.

麻竹坪水庫砌石拱壩的裂縫為徑向豎直裂縫，從上往下發(fā)展，上寬下窄，部位在近1/4的拱端處.大壩觀測成果表明，開裂的原因是由溫度應(yīng)力造成的，因此砌石拱壩的溫控設(shè)計和溫控施工至關(guān)重要.

4 結(jié)語

通過多年的觀測情況表明，埋設(shè)的各種應(yīng)變計，無應(yīng)力計、溫度計的高程和位置是合理的，測值穩(wěn)定，在一定程度上反映大壩的工作狀態(tài).觀測成果充分說明了砌石拱壩裂縫的成因，應(yīng)該說觀測工作是成功的，效果是好的，建議在今后的砌石拱壩建設(shè)過程中，應(yīng)把觀測項目常態(tài)化，為將來的溫控設(shè)計，溫控施工砌石拱壩提供科學(xué)依據(jù)，盡可能使砌石拱壩不裂或者少裂.本文根據(jù)625 m高程拱圈實測成果對裂縫的形成和性質(zhì)作些初淺探討.

各層拱圈溫度隨氣溫變化作余弦式波動，年平均溫度由于上游水溫影響，上層高下層低，隨著年期的增長逐年下降，逐步穩(wěn)定下來，不論拱冠或拱端斷面中部，溫度在夏季最低，冬季最高.壩體實測應(yīng)力以595 m高程拱圈最大，580 m高程拱圈次之.最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在施工期的寒冷季節(jié)，壓應(yīng)力出現(xiàn)在溫度較高的時期，表明溫度應(yīng)力在壩體應(yīng)力中占據(jù)了重要地位.壩體應(yīng)力分布規(guī)律設(shè)計和實測基本相符，壩體左右拱端的1/4拱圈處出現(xiàn)的豎直裂縫是由于寒潮降溫期在壩面表層引起很大溫度應(yīng)力而形成的表層裂縫.現(xiàn)壩體內(nèi)溫度穩(wěn)定應(yīng)力穩(wěn)定，裂縫已經(jīng)閉合，對拱壩的安全運行不會產(chǎn)生嚴(yán)重后果.經(jīng)20多年的運行和特大洪水考驗，表明大壩設(shè)計是合理的，施工質(zhì)量是優(yōu)良的，運行是安全可靠的.

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