低拱拱坝裂缝类型及成因

拱坝裂缝有很多种,从产生原因分,大致有温度性裂缝、结构性裂缝;从产生时间分,主要有施工期裂缝和运行期裂缝等,以下介绍中低拱坝中常见的裂缝种类。

1、拱坝横缝张开

拱坝横缝往往会周期性张开,当气温较低时坝体混凝土收缩,横缝张开,此时横缝中如有和上游库水连通的渗水通道,则发生漏水,这种漏水是周期性的,当气温升高至一定程度,横缝逐步闭合,漏水遂逐步减少至停止横缝张开属正常现象,须注意的是漏水的危害性,须查清漏水的来源,一般漏水往往来自横缝附近的水平施工冷缝。摸查方法也可以从上游找,当水位消落至某高程漏水停止,说明该高程有漏水点。

另外横缝拔管灌浆孔也常常成为漏水通道或钙化物析出点,漏水原因和上文是相同的。当然横缝漏水还有一种可能性是上游止水失效,此时需要重构上游止水。

2、水平施工冷缝

水平施工冷缝在不同浇筑层面间产生,往往是由于新老混凝土龄期差异过大引起混凝土层面间收缩不均匀,在水平施工缝处拉开。

3、施工期基础块的温度缝

经常出现于施工期拱坝基础块的浇筑,原因是混凝土收缩与基础的强约束。此类裂缝的处理关键在于避免裂缝的后期发展,所以一般需要在基础块表面布设限裂钢筋网,在裂缝处设骑缝钢筋,限制裂缝发展。

4、与岸坡垂直的裂缝

此类裂缝往往出现于薄拱坝两岸岸坡,原因也是温度性的,但出现时间可能在拱坝蓄水后1- 2年。这类裂缝往往也是贯穿性的。

5、劈头缝

一般出现于中上部高程两岸,铅直或近似铅直方向,从坝基一直到坝顶,而且常常是贯穿性的。此类裂缝往往也是温度性的,原因可能是上部拱圈在未充分收缩时即进行接缝灌浆,导致成拱后混凝土继续收缩,另外上部坝体相对较薄,与基础刚度差异较大也是原因之一。

6、体型突变引起的裂缝

此类裂缝发生于岸坡不连续处,或重力墩(推力墩)与坝体交界处,原因是刚度的过大差异。

7、下游坝面与岸坡平行的裂缝

很多20世纪七八十年代建成的拱坝,其体型向上游倾斜较多以平衡部分水压力,但是此类坝在低水位相对不利,下游拉应力过大,如浙江省天台县里石门拱坝和青田县金坑拱坝。金坑拱坝较典型,下游两岸各有一条平行于岸坡的贯穿性斜裂缝,里石门拱坝因上游设了支墩所以表现得并不典型而是成为多组近岸坡的水平裂缝。此类裂缝主要是由不利的体型引起的,故有一定“结构性”因素。

8、网状裂缝

此类裂缝多出现于运行多年的拱坝,位置往往并非在高应力区,而是周期性拉压交替变化的区域,是一种“疲劳”性裂缝,当然很多也是综合了其他原因产生的。

9、水平底廊道中的贯穿性水平缝

某些拱坝因为体型单薄,梁底存在高拉应力区,廊道位置更是薄弱部位,故在廊道上游出现裂缝,此类裂缝也是结构性的,漏水量往往与水位和气温有相关性,即高水位大低水位小,冬季大夏季小。

另一方面,运行多年后,漏水量又往往会有逐年减小趋势,甚至最终自动“愈合”。原因可能与上游库底的堆积有关,堆积形成铺盖保护了坝踵,粉细沙等细小颗料又将裂缝填充。

10、廊道中的不规则裂缝

廊道中还往往会有一些不规则裂缝出现,此类裂缝也是温度性的,往往是表面裂缝,由冬季“穿堂风”引起,冬季外界气温较低而坝外气温相对恒定形成较大温差。所以廊道口必须有防风或遮蔽措施。

对混凝土拱坝而言,裂缝属常见病害,而且永远是个难以回避的问题。拱坝裂缝的类型、成因及危害性、处理方法均与重力坝有很大不同,而高坝由于压应力水平高,其裂缝又与中低拱坝有所区别。

在中低拱坝裂缝问题上,有两种较典型的片面观点,一种观点认为裂缝对大坝危害性很大,不利大坝安全;而另一种观点则走向另一諯,认为裂缝对拱坝安全无关紧要。在国内,占据拱坝绝大多数的是中低拱坝,而且其中绝大部分均有不同程度的裂缝和漏水等问题存在,很大一部分还“带病工作”多年。如何分析这些拱坝裂缝的成因,如何评价这些带裂缝的拱坝安全性,进一步如何处理这些裂缝,这是当前业界所迫切需要解决的问题。

拱为常见建筑结构之一，型态定义为中央上半成圆弧曲线。拱早期经常运用于跨迳大的桥梁或门首。又可分为箱形拱、圆弧拱、双曲拱、肋拱、桁架拱、刚架拱等。近年来，各国于诸如拱桥的设计上，除了讲究安全实用外，也强调拱轴线优化，连拱计算、拱式建筑荷载横向分布，使各种形式拱式建筑于完善。

拱最早是出现在公元前二千年的美索不达米亚的砖建筑，不过一直到古罗马时期才开始有系统的将拱应用在许多建筑结构中。

工程中常用的拱有三铰拱（图1a）、两铰拱（图1b）和无铰拱（图1c）三种。拱的轴线可以是圆弧、抛物线、悬链线等。在内力分析中，三铰拱属于静定结构；两铰拱属于一次静不定结构；无铰拱属于三次静不定结构。后两者可用力法进行分析。

在外载荷作用下，拱一般以受压为主，因此，除内力和变形外，还须作稳定性分析。拱内压力大到一定限值后，原有形式的平衡状态可能变为不稳定的。

拱结构是一种主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲线或折线形构件。拱结构比桁架结构具有更大的力学优点。

在外荷作用下，拱主要产生压力，使构件摆脱了弯曲变形。如用抗压性能较好的材料（如砖石或钢筋混凝土）去做拱，正好发挥材料的性能。不过拱结构支座（拱脚）会产生水平推力，跨度大时这个推力也大，要对付这个推力仍是一桩麻烦而又耗费材料之事。由于拱结构的这个缺点，在实际工程应用上，桁架还是比拱用得普遍。