水布埡面板堆石壩施工期裂縫成因及處理措施

羅福海 張保軍 夏界平

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,湖北武漢 430010;2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院,湖北武漢 430010;3.長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究有限公司,湖北武漢 430010)

水布埡面板堆石壩施工期裂縫成因及處理措施

羅福海1張保軍2夏界平3

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,湖北武漢 430010;2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院,湖北武漢 430010;3.長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究有限公司,湖北武漢 430010)

在清江水布埡面板堆石壩施工過(guò)程中,由于受混凝土干縮、溫度應(yīng)力及堆石壩壩體沉降變形的影響,導(dǎo)致大壩面板產(chǎn)生了不同程度的裂縫。設(shè)計(jì)單位在分析了裂縫成因的基礎(chǔ)上,針對(duì)不同類(lèi)型裂縫的性質(zhì)和裂縫的寬度,制定了切實(shí)可行的處理方案,通過(guò)修補(bǔ),這些裂縫都呈閉合狀態(tài),可滿(mǎn)足工程安全運(yùn)行的需要。

鋼筋混凝土;面板堆石壩;大壩面板;面板裂縫;處理措施;水布埡水利樞紐;清江

水布埡大壩為混凝土面板堆石壩,壩頂高程409.0 m,最大壩高 233.0 m。壩頂設(shè) L型防浪墻,墻高5.4m,墻底高程為405.0m。上游壩坡為1∶1.4,下游平均壩坡為 1∶1.46。水庫(kù)正常蓄水位為400.00m,設(shè)計(jì)洪水位為402.20m,校核洪水位為404.00m。

大壩典型剖面見(jiàn)圖 1。大壩填筑總量 1 570萬(wàn)m3,面板總面積 13.87萬(wàn) m2,厚度 0.3～ 1.1m,最大斜長(zhǎng)392.27m。面板混凝土分 3期澆筑:2005年 1月 6日 ～3月 27日,從 177m處澆筑第 1期面板,面板頂部高程 278m;2006年 1月 21日 ～4月 1日,澆筑第 2期面板,面板頂部高程 340m;2007年 1月 4日 ～3月 28日,澆筑第 3期面板,面板頂部高程 405 m[1,2]。大壩面板及填筑分期示意見(jiàn)圖 1。

1 面板裂縫分布狀況

2005年 3月,在第 1期面板施工結(jié)束后,于壩前鋪蓋填筑前,檢查發(fā)現(xiàn)第 1期面板有 5條裂縫,其中 1條為Ⅱ類(lèi)裂縫,其余均為Ⅰ類(lèi)裂縫;6月對(duì)面板225 m高程以上進(jìn)行了全面檢查,發(fā)現(xiàn)有 255條裂縫,其中Ⅰ類(lèi)裂縫有 195條,Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)裂縫有 60條;2007年 3月,對(duì)第 1期面板重新檢查發(fā)現(xiàn),面板頂部 270～278 m高程新增裂縫 23條,均為Ⅰ類(lèi)裂縫;第 1期面板共發(fā)現(xiàn) 283條裂縫,其中Ⅰ類(lèi)裂縫有222條,Ⅱ、Ⅲ類(lèi)裂縫有 61條,裂縫分布見(jiàn)圖 2。

圖1 大壩面板及填筑分期示意

圖2 第 1期面板裂縫分布示意

圖3 第 2期面板裂縫分布示意

圖4 第 3期面板裂縫分布示意

對(duì)第2期面板進(jìn)行檢查時(shí),共發(fā)現(xiàn)了12條裂縫,其中Ⅰ類(lèi)裂縫有 4條,Ⅱ類(lèi)裂縫有 8條,裂縫分布見(jiàn)圖 3。

2007年 6月 ～8月,對(duì)第 3期面板進(jìn)行初次檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)了 344條裂縫,其中Ⅰ類(lèi)裂縫有 293條,Ⅱ類(lèi)裂縫有 44條,Ⅲ類(lèi)裂縫有 7條;2008年 4月 ～6月,利用水庫(kù)低水位時(shí)再次進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)有 275條表面裂紋(按Ⅰ類(lèi)裂縫處理)。第 3期面板共發(fā)現(xiàn)了裂縫 619條,裂縫分布見(jiàn)圖 4。

經(jīng)檢查,水布埡大壩面板共發(fā)現(xiàn)裂縫 914條,其中Ⅰ類(lèi)裂縫有 794條(含裂紋 275條),Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)裂縫有 120條。

2 面板裂縫成因分析

2.1 結(jié)構(gòu)性裂縫

面板上的裂縫大多為結(jié)構(gòu)性裂縫,主要是面板在外力作用下產(chǎn)生的。發(fā)生裂縫的原因,首先是受面板下部的堆石支撐體自重及變形的影響;其次,是在大壩蓄水過(guò)程中,在上游水位升降變化等外荷載的作用下,堆石壩體產(chǎn)生不均勻沉降和水平變形,導(dǎo)致面板和墊層之間出現(xiàn)脫空,改變了面板的受力狀態(tài),面板上的作用荷載產(chǎn)生的應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度后便會(huì)產(chǎn)生裂縫。結(jié)構(gòu)性裂縫會(huì)使面板后期呈規(guī)律性地開(kāi)裂,一旦發(fā)生此類(lèi)裂縫,面板將可能產(chǎn)生貫穿性的張裂。經(jīng)過(guò)對(duì)水布埡大壩面板進(jìn)行多次多方式的檢查,確認(rèn)大壩面板沒(méi)有出現(xiàn)貫穿性裂縫。

2.2 干縮和溫度應(yīng)力影響

為了防止在混凝土澆筑過(guò)程中受溫度的影響,大壩面板澆筑期都選擇在最低氣溫的 1～3月間施工。大壩混凝土面板澆筑初期的 3～6個(gè)月內(nèi),面板開(kāi)始產(chǎn)生表面裂縫,且多呈龜裂狀、淺層裂縫性質(zhì),可看出不連續(xù)性。經(jīng)分析,認(rèn)為面板混凝土干縮和溫度應(yīng)力是造成面板非結(jié)構(gòu)性裂縫的主要原因之一。因?yàn)?

(1)大壩面板一般較寬,而厚度卻相對(duì)很薄,混凝土澆筑施工時(shí)通常是采用滑模方式,滑模在上升過(guò)程中由于機(jī)械行走速度不均勻,容易造成混凝土入倉(cāng)后的均勻性差;

(2)混凝土表面采用人工抹平,膠凝材料及含水量與內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在著明顯的差異,繼而誘發(fā)了干縮裂縫發(fā)生;

(3)溫度應(yīng)力受大氣溫度與材料的影響,初期混凝土內(nèi)部水化熱上升,外部大氣溫度較低,溫差引起的溫度應(yīng)力導(dǎo)致大壩面板產(chǎn)生裂縫。

2.3 壩體沉降變形影響

眾所周知,大壩堆石壩體在碾壓填筑施工過(guò)程中主要會(huì)產(chǎn)生沉降變形,其次為水平變形。堆石壩體的增高與下沉量呈正比例關(guān)系,但這種變形增量初期較明顯,后期逐漸衰減,1～2 a后則趨于穩(wěn)定狀態(tài)。大壩上部區(qū)域受壩體沉降和位移變形的影響大于下部,這也是水布埡大壩第 1期大壩面板高程235～240 m、260～270m,第 3期面板高程 370 m以上區(qū)間產(chǎn)生裂縫分布較集中的主要原因。在第 2期面板施工時(shí),將施工平臺(tái)由第 1期高出面板頂部 10 m改為 20m,且在高程 320 m處應(yīng)力最大區(qū)域設(shè)置了 1條永久水平縫;壩體填筑采用“反抬法”,抬高壩體后部的填筑高度,以減少施工期壩體向上游的水平位移。采取此綜合措施以后,第 2期面板只出現(xiàn)了 12條裂縫。

2.4 兩岸壩坡地形影響

大壩兩岸為非對(duì)稱(chēng)“V”字形,左岸陡峻,右岸280m高程以上比較平緩。在壩體沉降變形過(guò)程中,受壩體重心的作用,在大壩垂直和水平變形的影響下,壩體還存在偏左斜向變形。從圖 5大壩面板裂縫的分布情況來(lái)看,裂縫集中在中偏左,且有斜豎向分布。因此可以認(rèn)為,壩坡不對(duì)稱(chēng)也是產(chǎn)生裂縫的因素之一。

3 面板裂縫處理措施

3.1 裂縫性質(zhì)

對(duì)出現(xiàn)的裂縫采用鉆孔取芯或鉆孔超聲波進(jìn)行了深度和寬度檢測(cè),檢測(cè)確定的(第 1期)大壩面板最大裂縫寬度為0.70 mm,最大深度為 55.0 cm,其中的大部分為表面淺層裂縫和裂紋,它們占裂縫總數(shù)的86.87%。未發(fā)現(xiàn)水平和垂直貫穿性裂縫,也就是說(shuō),已經(jīng)出現(xiàn)的Ⅱ、Ⅲ類(lèi)裂縫仍在設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)的范圍以?xún)?nèi)。

圖5 高程 280m以上面板裂縫分布示意

3.2 裂縫分類(lèi)

根據(jù)大壩面板受力特點(diǎn)和滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)耐久性的要求,結(jié)合其他工程經(jīng)驗(yàn),以及水布埡大壩面板出現(xiàn)的裂縫性質(zhì)、規(guī)模等具體情況,可將裂縫分為以下 3類(lèi):

(1)Ⅰ類(lèi)裂縫(淺層裂縫),其表面縫寬 δ≤0.1mm;

(2)Ⅱ類(lèi)裂縫,表面縫寬0.1mm≤δ＜0.3 mm,縫深 h≤30 cm;

(3)Ⅲ類(lèi)裂縫,表面縫寬 δ≥0.3mm,或縫深 h＞30 cm。

3.3 處理措施

對(duì)于Ⅰ類(lèi)裂縫,沿縫口表面兩側(cè) 10 cm寬的范圍內(nèi),用人工將裂縫打磨,并刷洗干凈,然后涂刷液體橡膠把裂縫填平,再在液體橡膠上面涂刷一層水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料。

對(duì)于Ⅱ、Ⅲ類(lèi)裂縫,沿縫口鑿寬 5～10 cm、深 5～6 cm的“V”型槽后,再實(shí)施嵌縫、埋管,進(jìn)行化學(xué)灌漿?；瘜W(xué)灌漿材料選用 CW低粘度環(huán)氧,在裂縫表面涂刷液體橡膠,采用 PSI-tape裂縫快速修補(bǔ)帶進(jìn)行封閉處理,最后在其上涂刷一層水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料。

4 限制產(chǎn)生面板裂縫的措施

與一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的相比,水布埡混凝土面板堆石壩面板的長(zhǎng)寬比更大,因此在壩體填筑期和蓄水之后,由于受不均勻沉降,大壩內(nèi)、外壓力不同步等外荷載變形的影響,以及受混凝土自身體積變形、干縮、溫度應(yīng)力等因素的影響,可能會(huì)產(chǎn)生不同程度和不同類(lèi)型的裂縫[3],通過(guò)水布埡面板堆石壩的工程實(shí)踐,認(rèn)為采用以下工程措施可以限制和減少面板裂縫的產(chǎn)生。

(1)除了工程需分階段施工以確保安全度汛以外,壩體填筑宜盡可能地平行上升。

(2)分期面板施工時(shí),施工平臺(tái)宜高出面板頂部 20m左右,且有不少于 3個(gè)月的初期沉降變形期,條件許可時(shí),半年左右時(shí)間更好,這樣可減少面板頂部區(qū)因初期沉降變形產(chǎn)生的裂縫。

(3)必要時(shí),在壩體最大應(yīng)力區(qū)的 1/3壩高部位,設(shè)置水平變形縫,以釋放部分變形應(yīng)力。水布埡第 2期面板總共只出現(xiàn) 12條裂縫就證明了這一措施的必要性。

(4)有條件時(shí),在壩體最大應(yīng)力區(qū)的一定高度內(nèi),實(shí)施前低后高的“反抬式填筑法”,可減小壩體初期向上游方向的反向變形,從而減少面板結(jié)構(gòu)在脆弱的初期承受荷載變形所產(chǎn)生的裂縫。

(5)在分期面板的底部、頂部 20 m左右區(qū)域布置雙層雙向結(jié)構(gòu)鋼筋,且宜細(xì)不宜粗,以滿(mǎn)足施工剛度需要即可。

(6)嚴(yán)格控制混凝土入倉(cāng)坍落度和滑模的提升速度,嚴(yán)格控制施工質(zhì)量,盡可能減少人工抹制表面。在大壩面板混凝土中摻加聚丙烯腈纖維,表面涂刷水泥基滲透結(jié)晶型涂料,可以提高混凝土的抗裂性能和早期強(qiáng)度。

(7)大壩兩岸壩坡盡可能地對(duì)稱(chēng),補(bǔ)坡宜緩不宜陡,從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮,以控制在 1∶0.5為宜。

(8)面板混凝土澆筑后應(yīng)及時(shí)采取保溫保濕措施,收倉(cāng) 3 d后,可采用流水養(yǎng)護(hù)。在面板頂部至水位變幅區(qū),應(yīng)設(shè)置永久降溫噴淋設(shè)施,以備夏季高溫期降溫防裂;如有條件,在此區(qū)域也可布置防寒設(shè)施,防止溫度過(guò)低時(shí)產(chǎn)生凍裂。

5 結(jié) 語(yǔ)

大壩混凝土面板是堆石壩的防滲主體結(jié)構(gòu),大壩面板無(wú)論是否采用分期施工,都將會(huì)產(chǎn)生壩體沉降變形,而壩體的沉降變形將可能會(huì)導(dǎo)致混凝土面板產(chǎn)生不同程度的裂縫。通過(guò)調(diào)整施工程序,合理提高面板施工平臺(tái)與分期面板頂部的高差,適當(dāng)增加停歇期,在壩體最大應(yīng)力區(qū)部位設(shè)置永久水平變形縫,在適當(dāng)區(qū)域?qū)误w采用“反抬法”進(jìn)行施工填筑,對(duì)兩岸壩坡進(jìn)行適當(dāng)整修和補(bǔ)坡處理;在面板混凝土中采取摻用聚丙烯腈等綜合措施,可有效地減少大壩混凝土裂縫的產(chǎn)生和防止面板出現(xiàn)脫空現(xiàn)象,確保大壩處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

[1]董育堅(jiān),孫文娟,蔡金燕.水布埡高土石壩科技攻關(guān)[J].人民長(zhǎng)江,1998(8).

[2]廖仁強(qiáng),譚界雄,王 萍.水布埡混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)[J].人民長(zhǎng)江,1998(8).

[3]陳圣平,劉俊義.混凝土面板堆石壩填筑施工[J].人民長(zhǎng)江,1998(6).

TV 641.43

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1006-0081(2010)12-0005-04

2010-10-28

羅福海,男,長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院水布埡工程設(shè)計(jì)代表處處長(zhǎng),高級(jí)工程師.

(編輯:趙秋云)