某拱坝病害分析及加固措施
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摘要：本文首先介绍了水库拱坝病害成因分析的基本理论，然后分析总结出某砌石拱坝的裂缝成因及其发展规律，并提出拱坝的拱端及坝体进行相应的加固处理措施。为类似工程施工及修补提供借鉴和参考意义。
关键词：拱坝；温度应力；除险加固；
一、水库拱坝病害成因分析
水工建筑物在实际使用过程中承受两大类荷载，各种外荷载和变形荷载（温度、收缩、不均匀沉陷）统称为广义荷载，其中静荷载、动荷载和其他荷载，称为第一类荷载；变形荷载，称为第二类荷载【1】。裂缝的成因不外乎以下三种：
第一种裂缝：由外荷载（如静、动荷载）的直接应力，即按常规计算的主要应力作用于结构体内超过一定数值后在相应部位产生裂缝。
第二种裂缝：由外荷载作用，结构次应力引起的裂缝。
第三种裂缝：由变形引起的裂缝，即结构由温度、收缩和膨胀、不均匀沉陷等因素而引起的裂缝。
根据国内外调查资料，实际工程结构物的裂缝原因中，属于因变形为主引起的约占80%，属于因荷载为主引起的约占2%。实际上，裂缝的产生和扩展通常是由于变形和荷载共同作用的结果，且相互影响，相互作用【2】。
二、某拱坝的病害成因分析
2.1温度变形引起的第一种裂缝
根据某拱坝的裂缝调查资料，在大坝建成后1～3个月内，恰逢冬季低水位，在大坝左右拱端首先出现径向的贯穿性裂缝，随着气温的降低裂缝开展宽度越来越大，且裂缝左右两侧没有发现上下错动，后来随着气温升高，裂缝又逐渐闭合，到次年冬季裂缝又张开，但水库满蓄时，裂缝宽度减小。总体来看，其裂缝的开裂变化规律是低水位温降时裂缝张开愈明显，反之裂缝张开愈小。温度变形是某坝拱端附近开裂的主要原因。
2.2地质条件影响引起的第一种裂缝
根据大坝的变形监测资料，大坝的变形主要表现为径向变形，垂直位移较小，左右1/4拱圈处变位差异较大，具有较显著的不对称变形。
通过观察坝体拱圈发生的最大切向拉应力可以看到，其位置均位于坝体左岸上、下游与基础接触地带；其次，通过观察左、右两岸岩体的分布情况可以看到，左岸岩体较为平缓，而右岸岩体与坝身接触部分较陡，尤其是上游基岩分布不对称，从而造成坝体出露部分的不对称情况，正是由于右岸约束比左岸约束大，在经历荷载作用后，位移叠加，造成了拱坝右段径向变位比左段径向变位大的情况，因而上游面右岸受拉变形就相应地大于左岸，由此可以看出，由于左、右岸岩体的不对称分布，使得拱坝应力分布在经历荷载以后出现了明显不对称的情况，由于应力分布的不平衡，右岸拉应力加大，也就促使拱坝右岸拉应力出现大范围超限的情况，从而拱坝出现开裂。由此可见，由外荷载引起的左、右岸坝肩约束不对称使得坝体中心受拉导致了竖直裂缝的出现。
2.3施工质量差引起的第三种裂缝
某出现问题也是由于该工程上马仓促，没有经过正规的设计审核，也没请有资质的施工单位施工，是附近的村民土法施工，缺少专业技术人员，致使大坝整体质量较差。一方面，坝体砂浆铺砌质量控制不严，填缝不密实，部分砌缝漏铺，留有较多缝隙及孔洞，质量根本无法保证，造成工程先天不足；另一方面，大坝兴建时开挖主要靠爆破，未对松动岩石进行彻底清理，亦未采取固结灌浆等处理措施，致使建基面在冻胀反复作用下渗漏，从而出现了一些沉陷裂缝；再就是工程建设过程中，由于各种原因施工速度慢，工期长，使得已浇筑的砌石坝拱圈表层水分散失而出现的龟裂状干缩缝。
三、坝体开裂整治方案研究
针对某拱坝裂缝成因及其规模，结合前人的经验，研究拱坝裂缝的修补措施，通过补强加固增强坝体的整体性，降低坝体的温度荷载，拟定的处理措施如下[3]：
3.1上游坝面进行防渗和抗裂并举的加固措施。修补坝体裂缝，即对坝体裂缝采用化学材料―环氧树脂接缝灌浆处理，将拱坝连接为一个整体，防止水压引起裂缝进一步的发展，并更好的发挥大坝拱圈的传力作用。
坝体裂缝补强的具体方法是：首先沿裂缝走向凿宽6cm、深4cm的V型槽，然后在边钻孔、边压水试验检查的条件下，沿裂缝钻斜孔（部分为骑缝孔），钻孔距离裂缝15～20cm，成30°～45°角，深度为30～40cm，孔距为1m左右，钻孔检查后埋人灌浆管，先用环氧水泥砂浆将V型槽填抹平，待环氧水泥砂浆达到一定强度时，在规定的坝体温度条件下灌入环氧浆液，最后在坝面喷钢纤维混凝土，使其承担较大的坝面拉应力。对于灌浆材料，工程中采用粘度低、可灌性好、粘接力强、收缩性小、工艺简单的环氧树脂浆液，这种材料可在低温条件和水下固化，可以准确地控制凝固时间，防渗性强及胶结强度高。
3.2夏季日照对坝面温度的影响不可忽视，从而加剧混凝土开裂，较好的解决办法是在下游坝面贴上保温层，使每天日照高温来不及传至坝面混凝土就到了晚上的温降时间。苯板是一种隔热性能很好的保温材料，重量轻，运输方便，质地软，易于切割，采用适当的粘接剂和旋工工艺，能和混凝土很好地粘结，而且价格也便宜，因此本工程拟采用苯板保温。即在水库拱坝整个下游面都用5cm厚的苯板粘贴.形成永久保温层，施工工艺详述如下[65]：
①坝面清理。为使聚苯乙烯泡沫板与坝面混凝土粘结牢固，在粘贴苯板之前，先将混凝土表面清理干净。
②粘贴苯板。在已清理好的混凝土表面先刷一道A-0型底胶，随即将A-1型水泥复合胶结剂分别涂在坝面和板的表面上（苯板厚为10cm，宽×长为0.5m×1.0m），然后将板粘贴在坝面混凝土上，再用压板加压使之紧密结合，约4h可拆除压板，其粘结强度随时间的延长而增加。
③铺贴网格布：将网格布压入底层聚合物砂浆内，然后用抹子由中间向四周把网格布赶平，网格布弯曲的一面朝里。要求平整压实，严禁网格布褶皱；网格布不得压入过深，表面必须暴露底层砂浆之外。单网长度不宜大于6米，铺贴遇有搭接时，必须满足搭接长度，横向100毫米，纵向80毫米。
④表面保护。由于苯板强度不高，防老化性能亦较低，另外，存在粘贴过程中各板接缝不密实、表面高低不平等问题，为了提高保温层的效能，在板粘贴后的表面再全面刷一道聚合物水泥砂浆，使保温层连接成整体，且使坝体平整美观。
⑤压条加固。在苯板表面，间隔1m，设置5cm压条，用预埋螺栓固定于坝体混凝土上，以加强苯板和坝体的整体结合性。
3.3对两岸坝肩进行防渗和抗滑加固工程措施。鉴于左岸软弱岩体分布较多，存在小范围崩坍现象，右岸岩体裂隙较发育使得坝肩稳定性不足，可对两岸基础同时进行适当处理，用混凝土回填两岸原开挖拱槽处的上游面，以提高基岩的整体性和变形特性，同时，也可适当调整上游岩体的不对称情况，改善拱坝应力的不对称分布，适当降低拱坝应力值。此外，也可以适当采用预应力锚索方法加固右岸岩体，这种方法见效快，效果好，不足之处在于投资较高，施工技术要求也较高；坝面加贴混凝土，以减小坝体半中心角和倒悬度，消除由于体形不良造成的应力分布不均，还可加大坝体重度，提高拱圈的抗滑稳定性。这种通过修正坝体断面，改善坝体应力分布，从而降低坝体拉应力值，提高坝体承载能力来消除裂缝产生原因的措施是裂缝处理的关键环节。
四、本章小结
针对某拱坝病因和裂缝规模，结合前人的经验，研究拱坝裂缝的修补措施，通过补强加固尽可能增强坝体的整体性，降低坝体的温度荷载。
参考文献
[1] 冯广宏.砌石拱坝建设[M].四川：四川人民出版社，1980：112-203
[2] 张镭漓，杨正丽等.下涧口水库拱坝加固方法浅谈[J].四川水利，2008，1
[3] 刘长宝，沈长松.溧阳市天目湖平桥砌石连拱坝加固研究.水文地质工程地质，2007，1