某水電站碾壓混凝土壩裂縫成因分析

江志紅

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中水顧問集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽(yáng)550002）

1 工程概況

某水電站位于清水河中游、支流獨(dú)木河河口2.5 km的河段，是一座以發(fā)電為主、兼顧防洪及其它效益的綜合水利水電樞紐。水庫(kù)正常蓄水位868.00m，死水位 845.00m，調(diào)節(jié)庫(kù)容為 1.355 億 m3，多年平均徑流量為24.1億m3，具有季調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)容量180MW，多年平均發(fā)電量7.23億kW·h。

攔河大壩為拋物線雙曲拱壩+左岸重力壩。雙曲拱壩壩頂高程873.00 m， 壩底高程738.50 m，最大壩高 134.50 m。 壩頂寬 7.00 m，壩底厚 25.0 m，厚高比0.186。壩頂軸線弧長(zhǎng)198.43 m，最大中心角81.528 9°，最小中心角 59.440 4°，壩體呈不對(duì)稱布置，中心線方位角 N2.50°E。重力壩頂部高程873.00 m，底部高程 800.00 m，上游面鉛直，下游坡比 1∶0.8，頂部寬 20.0 m，底寬 78.40 m。 重力壩頂長(zhǎng)89.13 m，大壩壩軸線總長(zhǎng)287.56 m。壩體大體積混凝土為C20三級(jí)配碾壓混凝土，壩體上游面采用二級(jí)配碾壓混凝土自身防滲。

2 壩體溫度和結(jié)構(gòu)縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

2.1 大壩溫度監(jiān)測(cè)

溫度監(jiān)測(cè)包括大壩表面溫度、庫(kù)水溫度、壩體內(nèi)部混凝土溫度及壩基基礎(chǔ)溫度等。分別在距壩體上下表面5～10cm處埋設(shè)溫度計(jì)測(cè)量壩體表面溫度，壩體上游表面溫度計(jì)在蓄水后作為庫(kù)水溫度計(jì)；壩體內(nèi)部混凝土溫度監(jiān)測(cè)采用網(wǎng)格布置，應(yīng)變計(jì)、測(cè)縫計(jì)均可兼作溫度觀測(cè)；基巖溫度監(jiān)測(cè)采用在基礎(chǔ)面鉆孔分段埋設(shè)溫度計(jì)的方法，監(jiān)測(cè)大壩基礎(chǔ)溫度分布。

選取拱冠梁、左岸重力壩壩段中間部位斷面作為溫度觀測(cè)斷面。為了更好地測(cè)量溫度場(chǎng)，在830 m觀測(cè)拱高程的適當(dāng)位置埋設(shè)溫度計(jì)。

表面溫度觀測(cè)：在拱冠梁斷面744 m、760 m、780 m、800 m、830 m、836 m、840 m、858 m、871 m（上、下游）高程，在重力壩830 m、845 m、860 m、870 m（上、下游）高程及830 m高程觀測(cè)拱的兩個(gè)誘導(dǎo)縫附近，分別布置溫度計(jì)觀測(cè)表面溫度，其位置控制在距表面5～10 cm。

庫(kù)水溫度觀測(cè)：在庫(kù)水位上部，由于受水位變化和日照影響，庫(kù)水溫度變化較大；水庫(kù)底部受來水泥沙、異重流等影響，溫度變化較水庫(kù)中部大。儀器布設(shè)時(shí)，也應(yīng)考慮監(jiān)測(cè)壩體溫度場(chǎng)的邊界溫度分布規(guī)律。水庫(kù)的死水位為845 m，正常水位868 m，在拱冠梁斷面 744 m、760 m、780 m、800 m、830 m、836 m、840 m、850 m、858 m、、866 m 高程， 重力壩801 m、830 m、845 m、860 m 高程及 830 m 觀測(cè)拱的兩個(gè)誘導(dǎo)縫附近。溫度計(jì)位置控制在距壩上游面5～10 cm內(nèi)。

壩體混凝土溫度監(jiān)測(cè)：在兩個(gè)溫度觀測(cè)斷面及830 m觀測(cè)截面壩體中心布置溫度計(jì)，觀測(cè)壩體內(nèi)部混凝土溫度。

基礎(chǔ)溫度觀測(cè)：在拱冠梁基礎(chǔ)帷幕后布置一套溫度計(jì)。溫度計(jì)采取鉆孔埋設(shè)，孔深10 m，孔內(nèi)埋設(shè)5支溫度計(jì)，以觀測(cè)基巖在混凝土水化熱溫升時(shí)對(duì)基礎(chǔ)的溫度傳遞和基礎(chǔ)不同深度下的溫度分布，同時(shí)可根據(jù)溫度分布了解壩基滲流情況。5支溫度計(jì)距孔口距離分別為：0.0m、1.0m、3.0m、5.0m 和 10 m。

2.2 壩體結(jié)構(gòu)縫、裂縫監(jiān)測(cè)

壩體結(jié)構(gòu)縫觀測(cè)即為壩體的誘導(dǎo)縫及碾壓混凝土和墊層混凝土結(jié)合縫開合度變化觀測(cè)，用測(cè)縫計(jì)觀測(cè)。測(cè)縫計(jì)布置在775 m、805 m、830 m和858 m高程，同時(shí)分別在兩個(gè)誘導(dǎo)縫的末端部位埋設(shè)測(cè)縫計(jì)。各個(gè)高程儀器均埋設(shè)在上游和下游表面，距表面距離為 2.0 m。

大壩混凝土填筑施工過程中，壩體755m、810 m、846 m及872 m高程碾壓混凝土壩面先后出現(xiàn)貫穿上下游的裂縫。為監(jiān)控壩體裂縫的變化情況，在裂縫上布設(shè)測(cè)縫計(jì)，為后續(xù)處理提供科學(xué)的依據(jù)。

3 澆筑過程及水管冷卻

3.1 澆筑過程

從2005年4月中旬開始拱壩基礎(chǔ)墊層混凝土的澆筑，4月下旬開始拱壩碾壓混凝土施工，汛前碾壓至755 m高程。汛后11月初，壩體繼續(xù)上升，2006年元月中旬至中孔803.50 m高程，間歇1個(gè)月后分別澆筑右岸、左岸及中孔附近混凝土至814.5 m高程，之后壩體繼續(xù)上升。2006年6月，拱壩施工至846 m高程。2006年7月開始，先澆筑表孔右岸混凝土至壩頂高程，間歇一個(gè)月后再澆筑表孔左岸壩塊至頂，2007年5月完成表孔常態(tài)混凝土澆筑。

重力壩于2005年9月底開始碾壓，2006年2月碾壓至837.5 m高程，間歇約一個(gè)半月后，2006年3月底，重力壩壩體繼續(xù)上升，于2006年6月碾壓至846 m高程。2006年8月，重力壩混凝土繼續(xù)上升，9月底澆筑完畢。

3.2 水管冷卻

壩內(nèi)埋設(shè)的冷卻水管以蛇形按1.5 m （水管垂直間距）×1.5 m（水管水平間距）布置。為防止振搗變態(tài)混凝土?xí)r振搗棒把PVC管壓扁或壓破，埋設(shè)時(shí)水管距上下游壩面各1.5m，水管距接縫面、壩內(nèi)孔洞周邊1.5m。采用8圓鋼制作的U型卡將冷卻水管固定在碾壓混凝土面上，冷卻水管單根回路250m左右。冷卻水管材料采用高強(qiáng)度聚乙烯，管外徑φ32 mm，內(nèi)徑為 φ28mm，單個(gè)回路通水量20～25 L／min。

各部位混凝土冷卻目標(biāo)溫度見表1。溫度荷載是拱壩的一項(xiàng)主要荷載，封拱溫度場(chǎng)的優(yōu)化是減小拱壩溫度荷載不利影響的最有力措施，一般情況下取封拱溫度場(chǎng)等于或略低于年平均溫度場(chǎng)。后期冷卻的目的是要在封拱灌漿時(shí)形成一個(gè)與穩(wěn)定溫度場(chǎng)梯度方向一致且大小相近的封拱溫度場(chǎng)，這樣有利于使壩體運(yùn)行期溫升、溫降荷載大小相近，從而減小壩體應(yīng)力或減少冷卻費(fèi)用。冷卻目標(biāo)溫度即為計(jì)算確定的、形成該穩(wěn)定溫度場(chǎng)混凝土所需降至的溫度。

4 裂縫成因分析

4.1 裂縫調(diào)查

2007年3月，先后對(duì)拱壩及重力壩混凝土澆筑后出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。

4.2 裂縫成因分析

4.2.1 混凝土外摻物

實(shí)驗(yàn)證明本工程混凝土配合比合理，水泥安定性滿足規(guī)范要求，水化熱在正常范圍內(nèi)。混凝土中摻入一定量粉煤灰可起到降低水泥水化熱、節(jié)約水泥用量的作用。水泥熟料中少量的MgO在混凝土硬化后期緩慢水化，產(chǎn)生微膨脹作用，可以補(bǔ)償混凝土后期降溫階段的體積收縮而并不破壞混凝土結(jié)構(gòu)，起到減少或避免混凝土裂縫的作用。水泥質(zhì)量與配合比設(shè)計(jì)不是壩體產(chǎn)生裂縫的原因。

4.2.2 混凝土內(nèi)外溫差

混凝土硬化期間，水泥產(chǎn)生大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。后期降溫過程中，由于受到基礎(chǔ)或老混凝土的約束，又會(huì)在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會(huì)在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力，當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土抗裂能力時(shí)，即出現(xiàn)裂縫。

從混凝土澆筑時(shí)段、通水時(shí)段及同期溫度計(jì)測(cè)值來看：拱壩755 m高程以下混凝土澆筑過程未通冷卻水。 755.9～768.2 m 高程 2005 年 11 月中旬才開始通水冷卻，要求目標(biāo)冷卻溫度為12℃，而同期該部位混凝土的內(nèi)部溫度實(shí)際最高達(dá) 35.80℃（2005年11月24日，760 m高程），當(dāng)時(shí)氣溫卻只有7.9℃。 可以認(rèn)為混凝土外部溫度為7.9℃，內(nèi)部溫度為35.80℃。由于未及時(shí)對(duì)內(nèi)部混凝土進(jìn)行溫度削峰和對(duì)外部混凝土加強(qiáng)保溫措施，如此大的內(nèi)外溫差必然導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。

表1 拱壩及重力壩通水時(shí)段情況表Table 1 :Concrete cooling time of the arch dam and gravity dam

4.2.3 間歇期過長(zhǎng)

汛前，拱壩混凝土澆筑至755 m高程停倉(cāng)度汛（2005年5月中旬停倉(cāng)），汛后11月初恢復(fù)澆筑，期間間歇時(shí)間達(dá)5個(gè)月之久。對(duì)于新澆混凝土來講，老混凝土壩面是一個(gè)強(qiáng)約束面，相當(dāng)于新混凝土一直在強(qiáng)約束區(qū)施工。當(dāng)新混凝土收縮時(shí)，會(huì)在下游壩面引起拉應(yīng)力，另外周期性變化的氣溫也會(huì)在某些時(shí)期引起較大拉應(yīng)力。新混凝土整體收縮和老壩混凝土溫度變化引起的拉應(yīng)力是間歇期過長(zhǎng)帶來的新問題。間歇期過長(zhǎng)，基礎(chǔ)老混凝土的約束必然導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生。

4.2.4 養(yǎng)護(hù)及保溫

充分養(yǎng)護(hù)是保證混凝土強(qiáng)度等性能正常發(fā)展和防止干縮裂縫的重要措施，混凝土澆筑完畢后，應(yīng)及時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)以保持混凝土表面經(jīng)常濕潤(rùn)，一般澆筑完畢后12～18h內(nèi)即開始養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期不少于14d。

值得注意的是養(yǎng)護(hù)同時(shí)，混凝土表面沒有進(jìn)行保溫覆蓋。混凝土澆筑后，硬化過程中，水泥水化產(chǎn)生大量水化熱，由于混凝土體積較大，大量的水化熱聚集在混凝土內(nèi)部不易散發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)部溫度急劇上升，而混凝土表面散熱較快，這樣就形成較大的內(nèi)外溫差，造成內(nèi)部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。實(shí)踐證明，當(dāng)混凝土本身溫差達(dá)25℃～26℃時(shí)，混凝土內(nèi)便會(huì)產(chǎn)生10 MPa左右的拉應(yīng)力，而一般的混凝土抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此值。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫，這種裂縫多發(fā)生在混凝土施工中后期。混凝土施工時(shí)，溫差變化較大或者混凝土受到寒潮襲擊等，混凝土表面溫度會(huì)急劇下降而產(chǎn)生收縮，表面收縮的混凝土受內(nèi)部混凝土的約束，將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力而導(dǎo)致裂縫。

2006年11月底至12月初開始澆筑拱壩及重力墩最上部混凝土，此時(shí)外部氣溫較低，而內(nèi)部溫度上升較快。拱壩及重力墩上下游面裂縫及872 m高程裂縫均產(chǎn)生在氣溫驟降時(shí)段（壩頂高程為873m，澆至872 m高程后停倉(cāng)，改澆常態(tài)混凝土）。氣溫的變化會(huì)使混凝土產(chǎn)生表面溫度應(yīng)力，如果新澆筑壩面保溫措施不及時(shí)，完全可能產(chǎn)生早期裂縫。筆者認(rèn)為這是產(chǎn)生混凝土表面裂縫的主要原因。

表2 裂縫情況統(tǒng)計(jì)表Table 2 :Statistics of cracks

4.2.5 早期拆模

混凝土摻粉煤灰影響早期強(qiáng)度，其早期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，致使早期抗拉強(qiáng)度偏小?；５氖┕ぬ攸c(diǎn)是變相的拆模過早，新澆筑混凝土早期拆模會(huì)在表面引起很大的拉應(yīng)力，出現(xiàn)“溫度沖擊”現(xiàn)象。混凝土澆筑初期，由于水化熱的散發(fā)，表面存在相當(dāng)大的拉應(yīng)力，表面溫度比氣溫高，此時(shí)拆除模板，混凝土脫模后還沒有完全硬化，過早暴露在空氣中，表面溫度驟降，必然引起溫度梯度，從而在表面附加一拉應(yīng)力，與水化熱應(yīng)力迭加，再加上混凝土干縮，表面的拉應(yīng)力很大，就有導(dǎo)致裂縫的危險(xiǎn)。但如果拆模后及時(shí)在表面覆蓋一輕型保溫材料，可防止混凝土表面產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，效果顯著。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過以上幾點(diǎn)原因分析，認(rèn)為本工程混凝土裂縫的原因主要有以下四點(diǎn)，一是混凝土內(nèi)外溫差過大，未及時(shí)通冷卻水；二是部分壩塊混凝土澆筑間歇期過長(zhǎng)；三是養(yǎng)護(hù)及保溫措施不及時(shí)；四是滑模拆除時(shí)間不當(dāng)。

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].中國(guó)電力出版社，1998.

[2]李珍照.大壩安全監(jiān)測(cè)[M].中國(guó)電力出版社，1997.

[3]張仲卿.碾壓混凝土拱壩[M].中國(guó)水利水電出版社，2001.

[4]王德厚.大壩安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控[M].中國(guó)水利水電出版社，2004.