陈村拱坝的裂缝成因分析

水电 2006 国际研讨会
陈村拱坝的裂缝成因分析
郑璀莹 1 张国新 1 周歧方 2 程利华 2 1.中国水利水电科学研究院，北京，100038；2.大唐陈村发电厂，安徽泾县，242500
摘要：陈村水电站位于安徽省皖南泾县的青弋江上。工程始建于 1958 年，工程从开工到主 体工程竣工，历经 20 余年，设计和施工几经变更，直至 1982 年基本通过验收。由于各种因 素的影响，在施工及运行过程中，坝体混凝土陆续出现了大量的裂缝，将坝体混凝土切割成 块，危及到大坝的安全。进行裂缝的成因分析是进行陈村拱坝安全评价的重要基础。本文在 全面考虑坝址的地质条件、大坝的施工过程、气象水文条件的变化和溢流坝段、廊道、发电 引水洞、泄洪中孔底孔、闸墩等坝体构造，以及裂缝等坝体内部缺陷对大坝应力的影响的基 础上，对大坝的施工期到运行期进行了全过程的仿真模拟。通过计算分析得出，陈村拱坝混 凝土浇筑层较厚（6m），并且在施工过程中采用温控措施有限，导致施工期温度应力较大， 这是产生坝体裂缝、一二期混凝土结合面脱开的主要原因。 关键词：裂缝模拟；全过程仿真；施工期温度应力
法向拉裂： σn ≥ ft
剪切破坏：
⎧⎪ ⎨ ⎪⎩
τ τ
≥ σ ntgφ + c，σ n < 0 ≥ c，σ n > 0
接触单元破坏后该单元的法向和切向刚度置零，原接触单元内的应力释放，将反向应力 作为初应力施加到单元上。单元闭合后，接触单元法向刚度与原来相同，切向刚度进行适当 折减。
在本文的计算中，各缝面的强度根据缝的运行状态和相应的混凝土材料强度拟定，对已
图 6 拱冠梁坝段（18 坝段）中截面 σ1 应力包络图（MPa）
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根据施工期仿真的应力计算结果，18 坝段在裂缝发生的坝顶、105m 和 111.5m 高程下游 侧、一二期混凝土结合面附近出现了一定范围的应力超标。对大坝主要裂缝发生部位的最大 主应力进行分析可知，绝大部分裂缝发生部位都存在拉应力超标，说明施工期温度应力超标 是导致坝体开裂的主要原因。
在陈村拱坝施工全过程仿真模拟过程中，采用每一仓混凝土浇筑时观测资料记录的气温 作为混凝土入仓温度，气温高于 30℃时采用 30℃作为入仓温度，气温低于 6℃时采用 6℃作 为入仓温度，II 期混凝土 63.5m-99.5m 高程范围内设冷却水管，分二期通水冷却。仿真模拟 过程中，根据实际封拱灌浆时间模拟了坝体的横缝灌浆。
图 1 陈村拱坝整坝有限元网格示意图
图 2 陈村拱坝横缝、施工缝、坝体裂缝网格示意图
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根据大坝混凝土浇筑过程中记录的浇筑日期、浇筑起止时间、混凝土入仓温度等施工资 料，采用气温、水温、水位等实测数据，模拟大坝每一仓混凝土的浇筑过程，并通过对整体 大坝进行施工期全过程仿真模拟，获得施工期的温度、应力及变形场，基于此分析混凝土内 各结合面的粘结状况、坝段间横缝的开合变化情况以及裂缝产生的成因。计算时段从 1959 年 9 月 23 日第一仓混凝土浇筑起直到 2004 年 12 月结束。混凝土浇筑过程中，最小计算步长为 0.5 天，最大计算步长为 5 天；各期混凝土浇筑的长间歇期间，最小计算步长为 0.5 天，最大 计算步长为 30 天。整个计算仿真分析过程累计计算 1801 个计算步，计算规模超前。
经开裂的裂缝面，取 ft = 0，c = 0 。
3 大坝全过程仿真分析
3.1 大坝施工情况简介 根据施工记录资料，陈村拱坝 I 期混凝土施工于 1959 年 9 月开始，到 1962 年 1 月停工
缓建时停止，完成河床坝段一期断面，顶面高程 99m-105m。1968 年复工后，II 期混凝土浇 筑于 1969 年 10 月至 1972 年 3 月，大坝主体浇筑完成，坝顶高程达到 125.0m，并封拱蓄水。 1978 年，实施大坝加高 1.3m，III 期混凝土浇筑至 126.3m 高程。
本文通过对大坝从施工期到运行期的全过程仿真模拟，来分析坝体裂缝的成因，并根据 有关裂缝发展过程的实际观测资料，模拟裂缝的开合变化过程，为全面掌握陈村大坝的真实 工作性态，以及为陈村大坝的修补加固和安全运行提供了重要参考。
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2 裂缝开合模拟的接触面模型
陈村拱坝裂缝分布众多，在计算分析中，如何模拟坝体的大量裂缝，并在大规模仿真分 析过程中实现裂缝在反复加载条件下的开合模拟是正确分析大坝受力和工作性态的关键。
I 期施工时因缺乏大型起重设备，一般采用手推混凝土斗车配合斜钢塔，仓面布置导管和 溜槽，浇筑入仓。混凝土浇筑温度通常在 4-9 月接近气温，一般在 15-30℃，10 月-3 月混凝 土温度略高于气温 1-3℃，一般控制在 6-13℃。根据现有资料，I 期混凝土在浇筑过程中未采
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本文通过改进裂缝的接触面模型及开合迭代算法，实现对裂缝开合扩展的仿真模拟。所 采用的接触面模型为无厚度、带强度的接触单元，对已经出现了裂缝的结构，或结构内部存 在薄弱面，如混凝土施工缝、混凝土与基岩结合面等较适用，可以较好模拟裂缝的开合变化， 反映不连续面对结构的影响。
计算中引入接触面模型的状态变量，记录每个迭代步前后接触面元状态变量的取值根据接触面的变形模式来确定。 模型考虑了接触面的粘结、滑移、张开和闭合四种变形模式，即：
仿真分析中，混凝土弹模和绝热温升随龄期的变化过程如图 3-图 4，其它热力学参数根 据表 1 选取，其中导温系数是根据反分析确定的。
绝热温升(℃) 绝热温升(℃)
25.0 20.0 15.0 10.0
30.0 25.0 20.0 15.0 10.0
5.0
0.0 0
50
100
150
200
龄期(d)
5.0
比 0.2
导温系
数 0.00342
比热
（kJ/kg·℃） 0.967
2.60
0.2 0.0050
0.978
线胀系数
（10-6/℃） 7 10
3.3 大坝施工期的温度及温度应力 选取拱冠梁坝段 18 坝段的中部截面作最大温度包络图，如图 5 所示。
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图 5 施工期拱冠梁坝段（18 坝段）中截面最大温度包络图 由于陈村拱坝混凝土浇筑层较厚，多为 5-6m 一层，而一期混凝土基本上没有采用温控措 施，二期混凝土仅在 69.5-99.5m 高程区间内采用了水管冷却，但通水时间较短，因此在每个 浇筑层内部最大温度值较高。一期混凝土，冬季浇筑时浇筑块内部最高温度为 22℃左右，夏 季浇筑时浇筑块内部最高温度值达 48℃左右；二期混凝土，冬季浇筑时浇筑块内部最高温度 值约为 31℃，而夏季浇筑的混凝土浇筑块内部最高温度可达 52℃。温度峰值较高致使坝体内 部产生较高的温度应力。 选取拱冠梁坝段 18 坝段的中截面作 σ1 最大主应力的应力包络图，如图 6 所示。由图可 知，18 坝段坝顶中部最大拉应力为 1.2MPa，而陈村拱坝坝体上部混凝土标号较低，抗拉强度 约为 1.0Mpa，因此，在混凝土浇筑早期，强度尚未完全形成时，超标拉应力可能致使坝顶产 生垂直裂缝。105m 高程下游侧出现了 1.2MPa 左右拉应力，111.5m 高程下游侧出现了 1.5MPa 左右的拉应力。根据陈村拱坝混凝土分区设计，89.5m-111.5m 高程下游侧采用的是 150 号混 凝土，抗拉强度约为 1.3MPa，111.5m 高程以上采用 110 号混凝土，抗拉强度约为 1.0MPa。 而对于 18 坝段，105.5m 和 111.5m 正好处在混凝土浇筑仓的分界面上，因此，1.2MPa-1.5MPa 的拉应力足以使混凝土沿界面脱离，产生沿坝轴线分布的水平裂缝。一二期混凝土浇筑间隔 时间长达 7-8 年，虽然在二期混凝土浇筑前对一期混凝土作了单缝留键槽并灌浆的处理措施， 但是由于浇筑块较大，温控措施不严格，在一二期混凝土结合的大部分纵缝面出现了 1.5-2.5MPa 的超标拉应力。
根据施工实测温度资料，混凝土的浇注温度在夏季高达 27.3℃，而由于温控措施有限， 坝内有的部位最高温度达到 51.6℃。 3.2 计算模型及计算说明
为了更真实地反映陈村拱坝实际的施工及运行条件，模拟裂缝的产生发展过程，计算对 整坝进行了从施工期到运行期的全过程仿真分析。为了考虑各种因素对大坝受力和变形的影 响，所建立的三维整坝有限元模型模拟了左右两个溢流坝段、三条发电引水洞、泄洪中孔、 底孔，以及闸墩等复杂结构，模拟了各坝段之间共计 27 条横缝、一二期混凝土结合面和大坝 的主要裂缝，考虑了基岩不同的材料分区等。模型共有单元 93,175 个，节点 128,951 个，整 坝网格示意图如图 1，横缝、施工缝及主要裂缝布置见图 2。
0.0 0
50
100
150
200
龄期(d)
(a) I 期
图 3 混凝土绝热温升-龄期变化过程
(b) II 期
弹性模量(GPa)
35 30 25 20 15 10
5 0
0
图4
100
200
300
400
龄期（d）
混凝土弹性模量-龄期曲线
材料
基岩 混凝
表 1 材料热力学参数取值表
容重（t/m3） 2.45
泊松
用任何温控措施。 II 期复工后，采用皮带输送机将砂石料由料仓送入拌和楼，出料为柴油机车拉 3m3 混凝
土吊罐配合门机吊运入仓，运距一般为 300m。考虑运距不算太长，又无骨料预冷措施，可以 认为运输途中温度无显著变化，近似将拌和温度作为入仓温度，并接近日气温。为适应大型 施工设备进行混凝土浇筑，加快施工进度，浇筑层一般采用 6m 层厚。II 期混凝土高程 63.5-99.5m 的浇筑块中，采用预留冷却通水孔道（预埋充气塑料管，待初凝后拔取塑料管， 留下通水孔道）的方法进行人工冷却。通水管道直径为 2.5cm，水平埋设间距为 1.5-2m，上 下层间距为 2m，通水流量约为 15L/min。采用天然河水冷却，一期冷却一般在冷却水管埋设 混凝土浇筑后 2-3 天后开始，通水时间在 5-12 月时一般为 7-20 天左右。二期冷却通水一般为 2 个月左右，直至接缝灌浆结束后 7 天为止。