4.6 坝体分缝

4.6.1 分缝设计

1.分缝缘由

广东省在长沙坝应用外掺氧化镁混凝土时，进行大量的研究工作，采用全坝不分横缝的设计应用方案。虽然在两岸坡坝段各自出现1条近于垂直岸坡的裂缝，但裂缝长度并不大，对拱坝结构未造成大的影响，应当说该工程是一个不分横缝氧化镁混凝土拱坝成功建设的范例。在贵州的环境温度和拱坝工程规模条件下，应用实践与理论分析发现，氧化镁混凝土拱坝仅靠其自生体积微膨胀变形依然无法彻底解决施工期的温度应力问题。三江氧化镁混凝土拱坝在进行掺量设计研究表明，即使坝体混凝土量4万m³左右，利用当年11月到次年5月低温季节浇筑坝体混凝土，不做任何温控措施，坝体上部需要高达200×10^-6膨胀量才能满足温控防裂要求，对应试验室氧化镁掺量高达8%左右，囿于目前的研究水平及工程实践，超高的掺量一时难以付诸实践应用。

室内试验和原型观测表明，氧化镁掺量在占胶凝材料的5%～6%时，混凝土最终膨胀率在贵州气候条件下一般小于200με，大致在80～160με之间，广东地区因气温普遍较贵州偏高，可获得200με或更高。当一座混凝土拱坝不能在一个低温季节浇筑完成，还需在夏季或其他气温较高时段浇筑混凝土时，由于年温差幅度大，氧化镁作用更不能完全解决坝体混凝土温降产生的收缩补偿问题，因而采取设诱导缝（或横缝）的措施以释放局部（主要是岸坡坝段的）过大拉应力，是一项行之有效的辅助性工程措施。

贵州通过沙老河、三江氧化镁混凝土拱坝应用经验，氧化镁混凝土拱坝的设计理念开始转变，从单纯依靠氧化镁混凝土的微膨胀来解决拱坝施工期温度应力，转变为在利用氧化镁混凝土自生体积微膨胀变形对拱坝温度应力补偿的基础上，采取以诱导缝为主的其他辅助温控措施，综合解决混凝土拱坝施工期温度应力，既实现了坝体的快速浇筑，同时也达到了简化坝体温控措施的要求，取得了较好的研究成果，解决了温度裂缝问题，由此形成了贵州氧化镁拱坝一套行之有效的独特设计方法。

2.分缝原则

（1）在氧化镁混凝土自生体积微膨胀变形对拱坝温度应力作充分补偿后，对坝体仍然存在的超标温降拉应力采取分缝释放，达到混凝土防裂要求。

（2）分缝布置应满足氧化镁混凝土快速施工的要求，缝面结构简单，施工方便。

（3）分缝型式应满足拱坝尚未达到稳定温度或准稳定温度时，拱坝提前蓄水的要求，同时具备重复灌浆的功能。

3.分缝特点

氧化镁混凝土拱坝不设纵缝，已建的氧化镁混凝土拱坝多为薄拱坝，均未考虑设置纵缝。氧化镁混凝土拱坝沿坝轴线设置的收缩缝，型式主要有诱导缝和横缝，周边缝的应用实例较少。

已建氧化镁混凝土拱坝一般采用诱导缝，或者是诱导缝+横缝的组合方式。缝的距离与常态混凝土拱坝相比较，差异较大。《混凝土拱坝设计规范》（SL 282—2003）条文要求横缝间距以15～25m为宜，这是因为拱坝横缝为主要的温控措施之一。而氧化镁混凝土拱坝，主要的温控措施是氧化镁混凝土的收缩补偿效应，设缝只是辅助性结构措施。已建氧化镁混凝土拱坝不仅设缝数量少，一般为2～4条，而且缝距也不均一，河床段缝间距较大，一般为50～130m，岸坡坝段缝距较小，一般为10～40m。设缝的方式是从沙老河氧化镁混凝土拱坝的工程实践开始进行总结研究的。沙老河拱坝是贵州省第一座按快速筑坝技术建设的外掺氧化镁混凝土拱坝，在进行方案设计时，曾经研究过是否设置横缝的问题，经设计组讨论并咨询专家后，决定参照广东长沙坝的经验按不分横缝进行设计。在工程进入施工后，出现两个不利因素：一是因坝体混凝土浇筑量较大，中上部分坝体混凝土在夏季高温季节施工；二是坝体保温措施实施效果不理想，导致在冬季坝体混凝土急速降温，夏季混凝土浇筑完成的时间不到半年，氧化镁混凝土的膨胀量不足100με，不能满足补偿要求，从而坝体产生贯穿性裂缝4条，第二年冬季又增加1条。分析这些裂缝的分布规律，发现均产生在两岸坡坝段，缝距11～25m，而河床中部110m长的坝体未出现裂缝。经仿真分析计算，结果表明：岸坡坝段受坝基岩体约束强烈，温降拉应力集中而且超标值区大，是裂缝集中产生的原因。在三江拱坝设计时，根据沙老河的研究结果，通过仿真计算，在两岸坡各设一条诱导缝，两缝之间距离107.5m。工程建成后，未发生温度裂缝，其后设计的氧化镁混凝土拱坝均参考三江拱坝的经验进行分缝设计，其中落脚河拱坝河床中部无缝坝段长128.9m。这些工程实例，验证了氧化镁混凝土拱坝独特的分缝的特点。

4.缝的结构设计

诱导缝或横缝一般以某一高程的径向或近径向为准，其他高程均与其一致，底部缝面与基岩正交，缝面为基本铅垂面。诱导缝或横缝一般采用预制混凝土模块成对组装形成，以适应坝体混凝土的快速浇筑。缝内设置重复灌浆系统，待缝张开后进行灌浆。

4.6.2 分缝方案研究

坝体分缝位置的差异会影响释放温度应力的大小、数量。特别是布置诱导缝时，其仅仅只是切断了局部混凝土，人为形成了一个结构弱面，应力状态复杂，如果在其他方向的拉应力比垂直于诱导缝的拉应力大得多，有可能诱导缝面不裂开而在其他方向裂开。因此，有必要采用有限元仿真分析的方法全面分析坝体施工期的应力，以确保分缝位置、数量的合理性。

三江氧化镁混凝土拱坝考虑掺4.5%氧化镁后，应力补偿明显，如果全坝不分缝，坝高40m以下部位的应力已能满足抗裂要求，但坝高40m以上两坝肩处主拉应力超过1.5MPa的区域较大，不能满足坝体的抗裂要求。因此，需要考虑分缝措施。根据坝体的应力情况，提出以下两个分缝方案进行研究。

分缝方案1：设置2条诱导缝，诱导缝抗拉强度0.4MPa，右岸诱导缝自坝高39.5m处开始设置，距顶拱右拱端24.36m；左岸诱导缝自坝高37m处开始设置，距顶拱左拱端36.95m；2条诱导缝缝面布置为铅垂面。

分缝方案2：设置2条诱导缝，诱导缝抗拉强度0.4MPa，考虑坝高47m以上两坝肩拉应力水平较40m以上的高出约0.5MPa，因此，提高设缝高程；右岸诱导缝自坝高47m处开始设置，距顶拱右拱端18.92m；左岸诱导缝自坝高47m处开始设置，距顶拱左拱端25.4m；2条诱导缝缝面布置为铅垂面。

有限元仿真计算表明，分缝方案1，坝高40m以上两坝肩的应力得到了改善，但仍有大范围的拉应力超过2MPa；分缝方案2，坝高40m以上两坝肩的应力较分缝方案1更为有利，拉应力超过1.5MPa的区域很小，除了与基础接触面附近由于应力集中影响有局部应力超标外，坝体应力已控制在1.8MPa以内，满足抗裂要求。表4.6-1列出了典型部位分缝后的拉应力，其中部位7正好位于分缝方案2缝端附近，由于诱导缝是间隔布置的，跨诱导缝两侧应力不连续，且局部应力存在应力集中现象。经比较后，选择分缝方案2进行分缝设计。